1er SEMESTRE 2012 IIE

Transcripción

1 INVERSORES ELECTRÓNICA DE POTENCIA 1er SEMESTRE 2012 IIE

2 CLASE 1 21/03/2012

3 INTRODUCCIÓN Un inversr es un cnvertidr capaz de transferir energía eléctrica desde un sistema de cntinua a un sistema de alterna. SISTEMA DC INVERSOR SISTEMA AC El bjetiv de uninversr es generar a partir de unsistema it de cntinua, una tensión de salida sinusidal, de frecuencia y amplitud cntrlable. Dependiend de si el sistema de cntinua cnsiste en una fuente de tensión unafuentedecrriente,seclasificaelinversren: VSI: Vltage Surce Inverter: CSI: Current Surce Inverter: Vdc Vac Idc Vac 3

4 INTRODUCCIÓN Ns cncentrarems en ls VSI pr ser ls cnvertidres más usads. Las técnicas que se desarrllarán para ls VSI sn aplicables, cn cambis menres, para ls CSI. Imprtancia de la frma de nda de la tensión de salida y de la magnitud de sus armónics. Ls armónics causan pérdidas, generan ruid audible, etc.. 4

5 APLICACIONES Respald de energía, UPS: Una de las frmas más cmunes de almacenamient de energía eléctrica de pequeñ prte es en cntinua, mediante el us de baterías. Dad que para la mayría de las aplicacines debems dispner de crriente alterna, necesitams de un inversr para pder utilizar la energía almacenada en la batería: 5

6 APLICACIONES Cntrl de velcidad de mtres de inducción: El variadr de frecuencia ns permite a aprtir de un sistema de AC de tensión yfrecuencia fijs, btener un sistema AC dnded la amplitud y la frecuencia de la tensión de salida sn cntrlables. De esta frma, mediante un variadr de frecuencia, cntams cn una tensión AC de magnitud y frecuencia cntrlables, que pdems utilizar para cntrlar la velcidad de un mtr: 6

7 APLICACIONES Generadres eólics: Para ptimizar la extracción de energía del vient, el generadr eólic funcina a velcidad dvariable, generand unsistema trifásic i de frecuenciavariable. i El sistema eléctric al que se cnecta el generadr eólic es de frecuencia cnstante, en el cas del sistema uruguay, 50 Hz. Pr l tant, es necesari acndicinar el sistema trifásic generad pr el generadr, para pder intercnectarl al sistema eléctric. Est es realizad mediante un rectificadr y un inversr, cm pdems ver en el esquema. 7

8 APLICACIONES Cnvertidra de frecuencia AC-AC: Utilizada para intercnectar sistemas eléctrics de diferentes frecuencias, cn estrategias de regulación de frecuencia diferentes. En Uruguay actualmente tenems una cnversra de frecuencia funcinand en Rivera, que cnecta el sistema eléctric uruguay, de 50 Hz, cn el sistema brasiler, de 60 Hz. El víncul es capaz de transprtar del rden de 70 MVA de ptencia. Próximamente, se instalará una nueva cnversra de frecuencia en Mel, para intercnectar nuevamente Uruguay y Brasil, esta vez cn un víncul much mayr, de 500 MVA. 8

9 APLICACIONES Sistema HVDC (High Vltage Direct Current): Cnsiste en la intercnexión de ds sistemas eléctrics distantes, mediante 2 estacines cnvertidras una AC/DC y tra DC/AC, una en cada extrem, y una línea de trasmisión en DC. Ests sistemas sn utilizads cuand el transprte de energía implica distancias i muy largas. Una línea de trasmisión HVDC es mens cstsa que una AC, para la misma capacidad. Las centrales utilizadas en HVDC sn más cstsas que las utilizadas en AC (requieren la cnversión AC-DC y viceversa). A partir de una determinada distancia la alternativa HVDC es siempre mens cstsa: 9

10 APLICACIONES Aplicación HVDC UPS Variadres de frecuencia Generadr Eólic: 10

11 PLAN DE TRABAJO 1. Rama inversra. 2. Puente inversr. 3. Técnicas de cntrl para reducir eliminar armónics. a) Técnicas de reducción de armónics. Cntrl pr desfasaje de ndas. PWM sinusidal b) Técnicas de eliminación explícita de armónics. PWM calculad 4. Generalización ió a sistemas trifásics. i a) Cnexión Frk. Se realizarán simulacines empleand el simuladr de circuits SiMEEP. Se pdrán variar cierts parámetrs durante la simulación. 11

12 PLAN DE TRABAJO 1. Rama inversra. 2. Puente inversr. 3. Técnicas de cntrl para reducir eliminar armónics. a) Técnicas de reducción de armónics. Cntrl pr desfasaje de ndas. PWM sinusidal b) Técnicas de eliminación explícita de armónics. PWM calculad 4. Generalización a sistemas trifásics. a) Cnexión Frk. 12

13 RAMA INVERSORA Llamarems rama inversra al circuit cntenid en el recuadr puntead. Se asimila a una llave de ds psicines. idc(t) Tiene tres brnes de cnexión: Brne psitiv (1). Brne negativ (0). Vdc 1 0 ia1(t) A(t) ia(t) Referencia de ptenciales. Brne de salida (A). La tensión de salida, referida al brne 0, será A(t). La función a(t) cntrla la psición de la llave. Tmand ls valres 0 y 1 lleva la llave a la psición 0 1 respectivamente. El ptencial de salida de la rama se puede expresar cm: La crriente entregada pr la fuente de cntinua se puede expresar cm: Se bserva que la llave debe ser bidireccinal, para dar camin a la crriente en ambs sentids. Cóm se implementa la llave? 13

14 RAMA INVERSORA La llave se implementa mediante ds cnjunts de transistr y did de rueda libre. Cuand la función de cntrl vale 1, cnducirá el grup transistr + did superir, impniend una tensión igual a +E/2 a la salida. Cuand la función de cntrl vale 0, cnducirá el grup transistr + did inferir, impniend una tensión igual a -E/2 a la salida. En cada cas, dependiend de la plaridad de la crriente cnsumida pr la carga, cnducirá el transistr, el did. Llave E/2 iac(t) E/2 Carga Vac(t) 14

15 RAMA INVERSORA Supniend que la función de cntrl de la rama x(t) es periódica, del mism períd de la crriente alterna iac(t) que cnsume la carga, tendrems las siguientes i frmas de nda: x(t) () 1 idc(t) E/2 iac(t) (t) 1 E/2 Vac(t) () 0 Vac(t) E/2 1er armónic tensión(t) T/2 T 3T/2 t φ x(t) 0 T/2 T 3T/2 t 0 -E/2 iac(t) idc(t) 0 T/2 T 3T/2 t 0 T/2 T 3T/2 t 15

16 RAMA INVERSORA Ptencia eléctrica que cnsume la carga: dnde φ es el desfasaje entre el primer armónic de la crriente y el primer armónic de la tensión de salida. Ptencia entregada pr la fuente de cntinua superir: Simulación 1. Al variar el desfasaje entre el primer armónic de la crriente y el primer armónic de la tensión de salida varía la ptencia activa suministrada pr la fuente de cntinua. En particular si el desfasaje es 90º, la ptencia entregada pr la fuente de cntinua es nula. 16

17 PLAN DE TRABAJO 1. Rama inversra. 2. Puente inversr. 3. Técnicas de cntrl para reducir eliminar armónics. a) Técnicas de reducción de armónics. Cntrl pr desfasaje de ndas. PWM sinusidal b) Técnicas de eliminación explícita de armónics. PWM calculad 4. Generalización a sistemas trifásics. a) Cnexión Frk. 17

18 PUENTE INVERSOR Un inversr está frmad generalmente pr más de una rama. Las identificarems ifi cm ramas A, B, etc. y la tensión en sus brnes de salida será A(t), B(t), etc. respectivamente. Sea el puente inversr de 2 ramas, que alimenta una carga de alterna (cn funcines de cntrl de ramas a(t) y b(t) respectivamente) de la figura: idc(t) Rama A Rama B Vdc 1 0 ia1(t) ib1(t) A(t) iac(t) Vac(t) B(t) 0 1 Carga 18

19 PUENTE INVERSOR Utilizand las relacines que impne cada rama y sus funcines de cntrl, pdems escribir: Tensión de salida del puente: Crriente que entrega la fuente de cntinua: 19

20 PUENTE INVERSOR Supniend que las llaves se manejan de manera cmplementaria y que las señales de cntrl a(t) y b(t) sn periódicas, del mism períd de la crriente alterna iac(t) que cnsume la carga, se tiene una tensión de salida de la frma: a(t) 1 Simulación 2. Es psible bservar cóm cambia la crriente media entregada pr la fuente de cntinua al variar el ángul de desfasaje entre ls primers armónics de crriente y tensión en la carga. Vac(t) E 1er armónic tensión(t) -E iac(t) idc(t) 0 T/2 T 3T/2 t φ 0 T/2 T 3T/2 t 0 T/2 T 3T/2 t 0 T/2 T 3T/2 t 20

21 PUENTE INVERSOR El cntenid armónic de la tensión de salida vale: Están presentes tds ls armónics impares. El cntenid armónic decrece al aumentar n. El valr eficaz de ls armónics de la nda de salida es: El valr eficaz de la nda de salida es: 21

22 PUENTE INVERSOR Aplicand Parsevall es psible calcular de manera exacta el valr de la distrsión armónica de la salida del inversr (aplicand una de las definicines de la misma): Parsevall En general n es tan sencill predecir cual es el valr eficaz ttal de la salida, pr l que a ls efects práctics, el residu armónic se define pr Nrma, pr ejempl hasta el armónic 25 inclusive. En este cas la distrsión armónica valdría

23 PLAN DE TRABAJO 1. Rama inversra. 2. Puente inversr. 3. Técnicas de cntrl para reducir eliminar armónics. a) Técnicas de reducción de armónics. Cntrl pr desfasaje de ndas. PWM sinusidal b) Técnicas de eliminación explícita de armónics. PWM calculad 4. Generalización a sistemas trifásics. a) Cnexión Frk. 23

24 TÉCNICAS DE REDUCCIÓN Y ELIMINACIÓN DE ARMÓNICOS El principal bjetiv al cntrlar un inversr, es determinar el valr del primer armónic de la tensión de salida, y reducir eliminar el residu armónic. Existen 2 grups de técnicas para implementar el cntrl de un inversr: Técnicas de reducción del cntenid armónic n desead. Técnicas de eliminación explícta de cierts armónics seleccinads. La elección de la técnica dependerá de ls requerimients de la aplicación para la que se diseñe, y las herramientas dispnibles. Limitantes para estas técnicas sn la tecnlgía (cmpnentes 24 semicnductres) y la capacidad de prcesamient digital.

25 PLAN DE TRABAJO 1. Rama inversra. 2. Puente inversr. 3. Técnicas de cntrl para reducir eliminar armónics. a) Técnicas de reducción de armónics. Cntrl pr desfasaje de ndas. PWM sinusidal b) Técnicas de eliminación explícita de armónics. PWM calculad 4. Generalización a sistemas trifásics. a) Cnexión Frk. 25

26 CONTROL POR DESFASAJE DE ONDAS El cmand del inversr mnfásic de nda cuadrada se implementa enviand la misma señal de cntrl a ambas ramas del puente, per desfasadas un tiemp τ (ángul α) que variarems. Mdificand d éste ángul, es psible cntrlar el valr del primer armónic de tensión de la carga. Observams que: Si α=180º, Vac(t) () es la nda cuadrada cnvencinal Si α=0º, Vac(t) =0 Si α tma un valr intermedi, Vac(t) será un puls rectangular genéric. 26

27 CONTROL POR DESFASAJE DE ONDAS Estas sn las frmas de nda para un puente inversr que alimenta una a(t) carga mdelada cm fuente de iac(t) 1 crriente sinusidal, cn cntrl pr desfasaje de ndas. La frma de nda de la tensión de salida es un puls rectangular b(t) periódic. 1 0 T/2 T 3T/2 t El cntenid armónic de esta frma de nda ya es cncid pr nstrs: cn 0 Vac(t) idc(t) E T/2 T 3T/2 t Y el valr eficaz de ls armónics vale: Simulación 3. -E 0 T/2 T 3T/2 t 27

28 CONTROL POR DESFASAJE DE ONDAS Valr eficaz de la tensión de salida: Distrsión armónica de la tensión de salida (aplicand una de las definicines de la misma): Parsevall 28

29 CONTROL POR DESFASAJE DE ONDAS Mdificand el ángul de retard, es psible, además de cntrlar el valr del primer armónic de tensión de la carga, incidir en el cntenid armónic residual en la carga. Cn α=120º se elimina el 3 er armónic. Cn α=72º 144º se elimina el 5 t armónic. Alrededr d de ls 120º y 144º la distrsión ió armónica es mínima. Es raznable cntrlar la tensión del inversr en el rang [180º, 90º] dad que fuera de este rang la distrsión armónica crece cnsiderablemente. En este cas también puede bservarse cm cambia la crriente media entregada pr la fuente de cntinua al variar el ángul de desfasaje entre el primer armónic de crriente y el primer armónic de tensión. 29