Electrónica de Potencia - Inversores Curso Temas tratados en clase. C. Briozzo.

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1 Electrónica de Potencia - Inversores Curso Temas tratados en clase. C. Briozzo. I. Introducción 1. Propósito de un inversor. Conexión de un sistema de un sistema de AC con uno de DC. Transferencia de potencia activa, generación y consumo de potencia reactiva del lado de AC, generación de un sistema de AC. 2. Implementación de un inversor con un convertidor conmutado por la red y sus limitaciones. Cuadrantes de operación en un diagrama fasorial de tensión y corriente del lado de AC. Necesidad de fem de AC externa. 3. Tipos de cargas alimentadas por un inversor. Máquinas de inducción y sincrónica, la red eléctrica, filtro para generar una fem de forma de onda sinusoidal para alimentación de cargas genéricas en AC. II. Inversor VSI 2 estados 4. Inversor VSI (voltaje source inverter). Cuadrantes de operación requeridos. Necesidad de dispositivos semiconductores (llaves) comandables tanto para la conducción como para el corte de corrientes. 5. Conmutación forzada. Transferencia de potencia entre dos fuentes genéricas de valores Ud y Ub utilizando llaves semiconductoras con capacidad de bloqueo de tensión y conducción y corte de corriente. Celda canónica (power pole) formada por llave unidireccional, diodo, fuente de tensión e inductancia. 6. Ejemplos de transferencia de potencia con una celda canónica. Conversión step down o buck y step up o boost, según el sentido de la corriente. 7. Combinación de dos celdas canónicas para formar una rama de puente con capacidad para funcionar como buck o boost según el comando. 8. Rama de puente inversor. Inversor de dos estados no controlado. Tensión de salida con forma de onda rectangular no controlada y con referencia al punto medio de la fuente de DC. (dos fuentes de fems +Ud/2 y Ud/2 o una única fuente Ud y un punto medio de referencia creado con capacitores (condensadores). Formas de onda de corriente y tensión reales sobre la carga de AC y desde la fuente de AC. 9. Carga genérica de AC formada por una inductancia en serie con una fem de AC. Aproximación de la corriente a una sinusoide, justificación. 10. Inversor de dos estados Push Pull. Formas de onda de tensión y corriente lado AC y lado DC. Tensión y corrientes sobre las llaves semiconductoras. 11. Inversor de dos estados tipo rama inversora con salida referida al punto medio de la fuente. Formas de onda de tensión y corriente lado AC y lado DC con corriente sinusoidal del lado AC. Tensión sobre las llaves. 12. Consideraciones sobre posibles formas de control de la salida de un inversor (control de la tensión Ud o modificación de la forma de onda) 13. Parámetros relacionados con un inversor: Tensión de pico, Valor eficaz de la tensión, Valor eficaz del primer armónico, contenido de armónicos, distorsión armónica con referencia a la fundamental: Definición y cálculo a partir de los armónicos o de los

2 valores eficaces total y de la componente fundamental de la tensión (primer armónico). Igualdad de Parseval. 14. Cálculo de los coeficientes de Fourier. Caso particular de la salida de un inversor: armónicos impares en seno o coseno por función par o impar con simetría de tercera especie (simétrica respecto a las abscisas con módulo el período). III. Control por PWM sinusoidal 2 estados 15. Concepto de modulación de ancho de pulso o PWM. Estudio del comando de una rama de puente inversor utilizada para generar una tensión continua controlada a partir de una fuente Ud. 16. PWM en DC. Generación de los comandos de las llaves mediante la comparación de una onda triangular de amplitud Û T y período T con una tensión de referencia U C. Cálculo de la tensión media de continua de la salida de la rama inversora en función de los parámetros Ud, U C y Û T. 17. PWM sinusoidal. Generación de una tensión alterna de salida de inversor de dos estados utilizando generando los comandos de las llaves mediante la comparación de la onda triangular de amplitud Û T con una tensión U C sinusoidal de referencia, con frecuencia f 0 << f=1/t y amplitud mû T. Definición de índice de modulación m y de razón de frecuencias p=f/fo 18. PWM sinusoidal. Inversor dos estados con carga modelada como una inductancia en serie con una fem sinusoidal. Elección del parámetro p para un inversor con salida de frecuencia fija. Sincronización de onda triangular y referencia sinusoidal para obtener una onda simétrica (par o impar) con tensión Ud a 90. (pulso centrado sin notch en 90 ). Ejemplo para p=9. Formas de onda de salida del inversor dos estados, de la fem sinusoidal y de la corriente real (corriente sinusoidal con ripple o rizado de corriente superpuesto. Relación entre el ripple y el parámetro p. Descripción cualitativa de la evolución de la corriente real teniendo en cuenta la tensión sobre la inductancia. Diagrama fasorial de las tensiones y la corriente. 19. PWM sinusoidal. Contenido de armónicos: diagrama amplitudes frecuencias. Armónicos atenuados y armónicos amplificados. Frecuencia del primer armónico amplificado. Cálculo de los armónicos determinando los instantes o ángulos de inversión de polaridad de la salida del inversor en un cuarto de período. 20. Limitaciones del valor del parámetro p por velocidad de llaves reales. Concepto de carga inductiva limitada en tensión (clamped inductive load) 21. Inversor con filtro LC para generación de tensión sinusoidal. Funcionamiento. Nociones de dimensionado del filtro según la regulación de la tensión de salida, no atenuación de la fundamental, elección de la frecuencia de resonancia para no amplificar armónicos y atenuación del armónico amplificado o introducido por el comando PWM (frecuencia p.fo) IV. Control por PWM calculado 2 estados 22. PWM mediante eliminación explícita de armónicos en inversor dos estados (PWM calculado). Expresión general del valor eficaz de los armónicos en función de los ángulos en que se invierte la polaridad de la salida del inversor en un cuarto de período. Utilización de la expresión de cálculo de armónicos del pwm sinusoidal para generar un sistema de ecuaciones para M inversiones de polaridad entre 0 y π/2 para fijación de la fundamental y eliminación de M-1 armónicos. Ejemplo de cálculo con Newton Raphson utilizando como valor inicial para la iteración los ángulos de inversión de polaridad con pwm sinusoidal. Interpretación del parámetro p en PWM calculado.

3 23. Nociones de implementación del pwm calculado. (preprogramación de tablas, programación de un único conjunto de ángulos y control de la fundamental mediante control de la tensión Ud independiente, cálculo en tiempo real) 24. Rango de tensiones de salida de un inversor para funcionar con una tensión constante sobre la carga para variaciones en módulo y fase de la corriente de salida y variaciones de la tensión Ud. V. Puente inversor monofásico 2 y 3 estados. Control por desfasaje. 25. Puente inversor monofásico formado por dos ramas de inversor de dos estados. Generación de una tensión alterna de dos estados no controlada ni modulada. Tensión y corriente por las llaves y del lado de DC. Comparación con el push pull. 26. Control de la tensión de salida por desfasaje. Puente inversor de dos estados considerado como la diferencia de dos salidas de dos ramas inversoras de dos estados desfasadas 180. Desfasaje <180 y salida en tres estados. Generación de salida cero durante t>0 y corriente en cualquier sentido. Valor de la fundamental y contenido de armónicos en función del desfasaje entre las dos ramas del puente inversor. Gráficas. 27. Caso particular de desfasaje = 120 Eliminación de tercer armónico. Valor del THD. Implementación de un inversor con desfasaje 120 fijo y control de la tensión Ud mediante un convertidor DCDC. VI. Puente inversor monofásico. Control PWM sinusoidal y calculado. 28. PWM sinusoidal para control de la fundamental de frecuencia f 0 y atenuación de armónicos en inversor de tres estados. Generación de los ángulos de conmutación de las dos ramas mediante comparación de una onda triangular de frecuencia p.f 0 y amplitud Û T con una referencia sinusoidal U c para una rama del puente y - U c para la otra. Frecuencia de los primeros armónicos amplificados. (Modulante equivalente 2.p.f 0 que es par, por lo tanto aparecen (2p-1)pf 0 y (2p+1)pf 0 ) Forma de onda. Ventajas para el rizado de corriente y el filtrado. 29. PWM sinusoidal tres estados. Ejemplo con p impar: notch ( hueco de tensión) en π/2. Ejemplo con p par. Tensión de salida = Ud en π/ PWM de tres estados con eliminación explícita de armónicos. Expresión de los valores eficaces de fundamental y armónicos en el inversor de tres estados en función de los ángulos α i de cambio de tensión entre 0 y Ud con 0< α i < π/2 generados por el pwm sinusoidal. Sistema de ecuaciones en función de α i con i=1.m para fijación de la fundamental y eliminación de M-1 armónicos. VII. Inversor trifásico 31. Inversor trifásico formado por tres ramas de puente inversor. Inversor no controlado: Cada rama genera una onda rectangular con respecto al potencial del punto medio de la fuente y las tres ondas están desfasadas 120 y 240 como las tres fases de un sistema trifásico. Tensión entre fases (compuesta) de tres estados sin tercer armónico. Inversor con carga simétrica en estrella. Potencial del neutro de la carga con respecto al punto de referencia. Tensiones de fase sobre la carga. 32. Control de un inversor trifásico por PWM sinusoidal o calculado. (ejemplo: eliminación del armónico 5 y 7 en las ondas de dos estados y fijación de la fundamental).

4 VIII. Eliminación de armónicos por desfasaje de tensiones (ejemplo: Fork.) 33. Conexión Fork: Eliminación de armónicos no múltiplos de 3 mediante la suma adecuada de tensiones de secundarios de 2 transformadores (uno DY y otro DZ) con primarios conectados a las salidas de dos inversores desfasados 30 de manera que la tensión de fase de salida tenga la misma forma de onda que la de la corriente total de red de un convertidor de 12 pulsos conmutado por la red. Constatación de eliminación de armónicos y mantenimiento del valor de los armónicos no eliminados. Determinación de los valores posibles de los armónicos (0 o U (1) /n). Expresión del orden de los armónicos eliminados. Comparación con el PWM. 34. Otras implementaciones de inversores por suma de tensiones escalonadas. Inversor implementado. por suma de módulos compuestos por rama de puente inversor condensador (Inversor MMC). Principio de funcionamiento. 35. Convertidor VSI funcionando como rectificador y como inversor. Convertidor VSI generando y consumiendo potencia reactiva. Referencias motóricas y generatóricas. Diagramas fasoriales. 36. Inversor con salida de frecuencia y amplitud variables (VVVF). Control por PWM sinusoidal en el que se varía la frecuencia y la amplitud de la tensión de referencia U c. IX. Compensación de potencia reactiva con VSI. 36. Compensación de potencia reactiva con un inversor con la salida conectada a una red a través de inductancias y con la entrada de DC conectada a un condensador. Funcionamiento como compensador de potencia reactiva (STATCOM). Diagrama fasorial. Método para carga y descarga del condensador. 37. Regulación de tensión mediante STATCOM en un punto de una línea modelada como una inductancia en serie y un condensador en paralelo alimentada con un generador remoto. Distintos casos. Diagramas fasoriales. Convertidor AC/AC (dimmer) 38. Funcionamiento de un convertidor consistente en dos tiristores en antiparalelo conectado en serie con una carga sobre una fase de un sistema de AC. Cara resistiva, resistiva inductiva e inductiva. Relación del ángulo de disparo con el desfasaje normal de la carga. Carga inductiva pura: Inductancia controlada por el ángulo de disparo de los tiristores. Forma de onda de la corriente. Nociones sobre armónicos 39. Compensador de potencia reactiva mediante inductancias controladas por tiristores y condensadores en paralelo. Funcionamiento.

5 1. Programa de ELECTRONICA DE POTENCIA Curso teórico- práctico. 2.- Créditos: 10 (diez) 3.- Objetivo: Impartir al estudiante conocimientos básicos y fundamentales sobre convertidores estáticos de energía que se basan en la utilización de semiconductores. 4.- Metodología de enseñanza: El curso comprende un total de 70 horas de clase, en un régimen de 6 horas semanales aproximadamente. Los temas se tratan en forma teórico práctica, combinando el tratamiento de aspectos teóricos con el análisis de problemas prácticos, directamente vinculados con la actividad profesional. 5.- Temario: 5.1. Introducción Convertidores AC/DC y DC/AC conmutados por la red. Rectificadores 5.3. Convertidores AC/DC y DC/AC con conmutación forzada. Inversores 5.4. Componentes electrónicos para conmutación de potencia: Tiristores, llaves apagables Componentes pasivos: inductancias, transformadores, condensadores. Acumuladores de energía Convertidores DC/DC. Fuentes conmutadas 5.7. Convertidores AC/AC. Compensación de potencia reactiva. 6.- Bibliografía: Power Electronics. Kjeld Thorborg. ISBN: ISBN Power Electronics. Ned Mohan. ISBN: ISBN Conocimientos previos exigidos y recomendados: Electromagnetismo, teoría de circuitos, sistemas trifásicos, análisis armónico, nociones de física de los semiconductores de estado sólido. 8.- Materia: Convertidores Electromagnéticos de Energía Programa detallado del curso de ELECTRONICA DE POTENCIA 1. Introducción. (2 horas) Objetivos de la Electrónica de Potencia. Métodos generales. Clasificación de convertidores. Conceptos básicos de potencia eléctrica utilizados en Electrónica de Potencia. 2. Convertidores AC/DC y DC/AC conmutados por la red. Rectificadores. (18 horas) Convertidor ideal de 6 pulsos, 2 vías. Funcionamiento, tensión de salida. Formas de onda. Métodos de comando. Funcionamiento del tiristor ideal. Potencia aparente. Funcionamiento como rectificador y como inversor. Comportamiento con distintos tipos de cargas. Conducción continua y discontinua. Conmutación en el convertidor de 6 pulsos, 2 vías. Caída de tensión. Influencia en el funcionamiento como inversor. Distintas conexiones trifásicas. Conexiones monofásicas. Influencia del convertidor en la red de alimentación. Potencia reactiva, generación de armónicos de corriente, distorsión por conmutación. Atenuación de consumo de reactiva. Convertidor de 12 pulsos. Aplicaciones: Accionamiento de motores de C.C., fuentes de alimentación, cargadores de baterías, transmisión de corriente continua y alta tensión (HVDC)

6 3. Convertidores AC/DC y DC/AC con conmutación forzada. Inversores. (14 horas) Inversor desde fuente de tensión (VSI). Inversor trifásico no controlado. Diagrama de Potenciales. Modos de operación. Operación como rectificador. Control de la tensión de salida de un inversor. Control por fase. Modulación de amplitud de pulsos (PAM). Eliminación de armónicos: suma de tensiones desfasadas (fork connection). Eliminación de armónicos y comando de la tensión fundamental: Modulación de ancho de pulso (PWM). Distintos tipos de implementación. Aplicaciones: Alimentación ininterrumpida. Accionamientos de motores de corriente alterna. Sistemas eléctricos de potencia 4. Componentes electrónicos para conmutación de potencia: Tiristores y llaves apagables. (12 horas) Llave ideal y llave real. Conceptos generales. Clasificación de llaves electrónicas.. Parámetros básicos de una llave real. "Ratings" y "características". Modelo térmico. Temperaturas de trabajo. Disipadores. Tiristores. Funcionamiento. Modelo de dos transistores. Parámetros. Curvas características. Características de Gate: disparo de un tiristor. Circuitos básicos de disparo. Llaves apagables: Características. Circuitos de ayuda a la conmutación. Implementación física de las llaves apagables de uso más extendido: GTO, BJT, MOSFET, IGBT. Hojas de datos. Aplicaciones específicas. 5. Componentes pasivos: transformadores, inductancias, condensadores. Acumuladores de energía. (8 horas) Transformadores en convertidores estáticos. Transformadores de frecuencia de red y de alta frecuencia. Ferritas. Inductancias. Condensadores. Distintos tipos. Electrolíticos: circuito equivalente. Baterías. Principios de funcionamiento, clasificación según aplicación, construcción, capacidad, carga y descarga. 6. Convertidores DC/DC. Fuentes conmutadas. (12 horas) Convertidor DC/DC generalizado. Operación en 4 cuadrantes con motor de corriente continua. Motor de DC en 4 cuadrantes. Chopper reductor (buck), chopper elevador (boost), chopper elevador-reductor (buckboost): funcionamiento, transferencia, dimensionado de componentes pasivos. Fundamentos y cálculo de filtros. Conducción discontinua. Otros circuitos básicos. Convertidores DC/DC con aislación galvánica: Convertidores flyback y forward simples y tipo puente asimétrico. Convertidores tipo puente simétrico: push pull, medio puente, puente completo. Fuentes conmutadas. Componentes. Funcionamiento de un rectificador directo desde AC sin aislación galvánica. Corrección de factor de potencia. Nociones de convertidores con conmutación a corriente cero y a tensión cero. 7. Convertidores AC/AC. Compensación de potencia reactiva. (4 horas) Clasificación. Convertidor AC\AC monofásico con carga resistiva. (Dimmer). Carga resistiva - inductiva. Inductancia controlada por tiristores. Compensación de potencia reactiva. Compensación serie de líneas de potencia. Cicloconvertidores. Llaves electrónicas. (relés de estado sólido). HVDC. Criterios para el dimensionado del vínculo de almacenamiento de energía en convertidor AC\DC\AC. Última modificación: martes, 26 de febrero de 2008, 18:15