Inversores No Modulados

Transcripción

1 Inversores No Modulados A0 Tiempo B0 C0 DC /3 - DC /3 AN BN DC / 0 S 1 A B C CN DC / S Z Z Z n José Antonio illarejo Mañas 1

2 Objetivos del Tema Mostrar los aspectos básicos de funcionamiento de los convertidores CC/CA Estudiar las topologías más utilizadas en las construcción de convertidores CC/CA Presentar diferentes formas de abordar problemas con corrientes y tensiones no senoidales

3 Inversor en Medio Puente Funcionamiento con Carga Resistiva DC / DC / S1 S1 0 A DC / 00 S 0 A DC / 00 S 3

4 Inversor en Medio Puente Funcionamiento con carga Inductiva (I) Los diodos evitan que se destruyan los componentes por sobretensión 4

5 Inversor en Medio Puente Funcionamiento con carga Inductiva (II) La tensión A0 depende de la carga, por lo que no tenemos control sobre ella 5

6 Inversor en Medio Puente Funcionamiento típico de un Medio Puente 6

7 Inversor en Medio Puente Conclusiones Dado que la mayor parte de las cargas son inductivas, los diodos serán de obligada utilización Si deseamos controlar en todo momento la tensión sobre la carga sólo podemos tener tensiones positivas y negativas No es posible controlar el valor eficaz de la tensión sobre la carga 7

8 Inversor en Puente Completo Topología A0 DC / Tiempo S1 B0 0 A S AB DC / AB A0 B0 8

9 Inversor en Puente Completo Funcionamiento con Carga Inductiva (I) DC / S1 S1 0 A B S S DC / La carga devuelve energía a las fuentes de CC 9

10 Inversor en Puente Completo Funcionamiento con Carga Inductiva (II) DC / S1 S1 0 A B S S DC / Las fuentes de CC dan energía a la carga 10

11 Inversor en Puente Completo Funcionamiento con Carga Inductiva (III) No hay intercambio de energía 11

12 Inversor en Puente Completo Funcionamiento con Carga Inductiva (I) DC / S1 S1 0 A B S S DC / La carga devuelve energía a las fuentes de CC 1

13 Inversor en Puente Completo Funcionamiento con Carga Inductiva () DC / S1 S1 0 A B S S DC / Las fuentes de CC dan energía a la carga 13

14 Inversor en Puente Completo Funcionamiento con Carga Inductiva (I) DC / S1 S1 0 A B S S DC / 14

15 Inversor en Puente Completo Funcionamiento con Carga Inductiva (II) 15

16 Inversor en Puente Completo Funcionamiento con Carga Inductiva (III) 16

17 Inversor en Puente Completo ariación de la tensión de salida / / Sólo tiene términos coseno DC AB (n, ) 4 0 DC cos( nt)dt 4 DC n sin n Sólo son valores válidos n=1,3,5,7. Donde n=1 es la fundamental o primer armónico 17

18 Inversor en Puente Completo Contenido armónico (I) n / DC N=7 N=1 N=3 N= (grados) 18

19 Inversor en Puente Completo alor eficaz rms d 1 0 ab d t dt abrms d d 19

20 Inversor en Puente Completo Distorsión armónica THD( ) RMS 1RMS 1RMS alor eficaz del primer armónico 0

21 Cálculo utilizando series de Fourier Circuitos con señales no senoidales L C R Podemos aplicar superposición 1

22 Cálculo utilizando series de Fourier Ejemplo I: Corriente por la bobina La impedancia será diferente para cada armónico (n) Z(n) n L j R j n C R R n C j La corriente en la bobina para cada armónico será

23 Cálculo utilizando series de Fourier Ejemplo I: Corriente por la bobina Corriente en función de ωt para cada armónico n (1,3,5,7, ) Parte imaginaria de Z(n) I L n, t 4 n DC sen ncosn t Z( n) arctg Im( Z( n)) Re( Z( n)) Parte real de Z(n) Módulo Z(n) 3

24 Cálculo utilizando series de Fourier Ejemplo I: Corriente por la bobina Diferentes aproximaciones al valor de la corriente en la bobina n=1 n=1 + n=3 n=1 + n=3 + n=5 n=1 + n=3 + n=5+ +n=51 4

25 Inversores trifásicos Como unión de 3 monofásicos (I) Inversor 1 Inversor Inversor 3 5

26 Inversores trifásicos Como unión de 3 monofásicos (II) Podemos unir tres inversores en mediopuente DC / S1 A B DC / S En caso de necesitar neutro Carga 6

27 Inversores trifásicos Como unión de 3 monofásicos (II) π θ π θ A0 B0 - C AB / 3 AB = A0 - B0 7

28 Inversores Trifásicos Tensión de línea / / / 3 DC AB AB (n, ) (n, / 3) / 3 0 DC 4DC cos( nt)dt sin n n 4DC cos( nt)dt sin DC n n 3 Todos los armónicos múltiplos de 3 se anulan 8

29 Inversores Trifásicos Contenido armónico de la tensión de línea n / DC Armónicos Todos los armónicos múltiplos de 3 se anulan 9

30 Inversores Trifásicos Distorsión armónica 0.31 / 3 30

31 Inversores Trifásicos Tensión de fase con carga en estrella equilibrada DC / S1 A B Carga conectada en estrella Equilibrada Z1=Z=Z3 DC / S Un ejemplo de carga que cumple estas especificaciones es un motor de inducción Z1 Z Z3 31

32 Inversores Trifásicos Tensión de fase con carga en estrella equilibrada Interruptores cerrados: S1A, SB, S1C I I DC Z Z / 3

33 Inversores Trifásicos Tensión de fase con carga en estrella equilibrada Interruptores cerrados: S1A, SB, S1C AN I Z DC 3 BN I Z 3 DC 33

34 Inversores Trifásicos Interruptores cerrados: S1A, SB, S1C A0 B0 Tiempo C0 AB A0 ωt (0-60º) B0 C0 34

35 Inversores Trifásicos Tensión de fase con carga en estrella equilibrada Interruptores cerrados: S1A, SB, SC I I DC Z Z / 35

36 Inversores Trifásicos Tensión de fase con carga en estrella equilibrada Interruptores cerrados: S1A, SB, SC AN I Z 3 DC BN CN I Z DC 3 36

37 Inversores Trifásicos Interruptores cerrados: S1A, SB, SC A0 B0 Tiempo C0 AB A0 ωt (60º-10º) B0 C0 37

38 Inversores Trifásicos Interruptores cerrados: S1A, S1B, SC A0 B0 Tiempo C0 AB A0 ωt (10-180º) B0 C0 38

39 Inversores Trifásicos Tensiones A0 B0 Tiempo C0 AB A0 B0 C0 39

40 Inversores Trifásicos Desarrollo en serie de Fourier de la tensión de fase DC /3 DC /3 π/6 π/3 AN (n) 4 / DC cos( nt)dt 4 / 6/ 3 / 6 DC 3 cos( nt)dt AN (n) 4 3 DC n sen 1 6 n sen( 1 n Sólo son valores válidos n=1,3,5,7. Donde n=1 es la fundamental Ampliación de o Electrónica primer de armónico Potencia 40

41 Inversores Trifásicos Ejemplo de cálculo DC / S1 R=10Ω DC / 0 S A B C L=0.01H F=50Hz DC =500 I L I L? 41

42 Inversores Trifásicos Equivalente monofásico L R R=10Ω L=0.01H F=50Hz DC =500 AN (n, ) 4 3 DC n sen 1 6 n sen( 1 n 4

43 Inversores Trifásicos Solución I(n) AN (n) Z(n) cos n t arctg Im(Z(n)) Re(Z(n)) an /10 0 I L 0-0 Aproximación con un armónico Aproximación con 0 armónicos 43

44 Otras configuraciones Con transformador de toma media (medio puente) La tensión soportada por los transistores es * N1 = DC + - A 0 N T ON T1 OFF DC N1 T1 + - N1 T N1 DC N DC N/N1 44

45 Otras configuraciones Con transformador de toma media (medio puente) + - A 0 N T ON OFF T1 OFF ON DC N1 + - N1 N1 T1 T DC N DC N/N1 45

46 Otras configuraciones Control de la tensión de salida ( puente completo) A N 0 Puedo obtener una señal de tres niveles y controlar la tensión N1 N1 DC T1 T A0 Tiempo B0 B N 0 AB DC N/N1 N1 DC T1 T N1 AB A0 B0 46

47 Otras configuraciones Con transformador de toma media (puente) Para obtener AB debemos unir los terminales 0 A N 0 B N 0 DC N1 N1 47

48 Otras configuraciones Con transformador de toma media (puente) + A N 0 0 N B - DC N1 N1 48

49 Otras configuraciones Comparativa. Puente S Toma-media La comparativa se realizará mediante un diseño con las siguientes características: Potencia nominal salida 1kA 0 (eficaces) Tensión de alimentación 4 (+10% y -15%) Frecuencia 50Hz Rendimiento estimado 85% Transistores MOSFET R DSon =0,04Ω Ipico=5A 49

50 Otras configuraciones Comparativa. Puente S Toma-media Datos a calcular en el diseño, para realizar la comparativa: Relación de transformación Nº de transistores Tensión soportada por los transistores Calidad de la tensión de salida Factor de utilización de los transformadores 50

51 Otras configuraciones Cálculos para el Puente Relación de transformación y calidad de la tensión de salida A N1 N AB (n, ) 4 DC n sin n N N1 B Para mantener el valor del primer armónico constante (n=1) a pesar de que varíe DC el sistema de control tendrá que modificar el ángulo φ Teóricamente el valor máximo de φ es 180º, sin embargo el valor que tomemos afectará a la distorsión y por tanto a la calidad de la señal 51

52 Otras configuraciones Cálculos para el Puente Los ángulos comprendidos entre º dan buena calidad de señal Ángulos mayores de 160º empeoran la calidad y no aportan una diferencia de tensión apreciable 5

53 Otras configuraciones Cálculos para el Puente out 4in min sen max N N 1 4 4(1 0,15) sen N N 1 Relación de transformación N N 1 1,16 out 4in N max min sen sen 1, 16 N 1 4 4(1 0,1) min 0 min 99,1 53

54 Otras configuraciones Cálculos para el Puente Intensidad de pico en el primario del transformador (aproximación n=1) P aparente eficaz I eficaz 0 I eficaz 0,85 I eficaz 1000 /(00,85) 5,35A Intensidad de pico referida al primario I eficaz Número de transistores en paralelo 5 * N N 1 9A Resistencia de transistor equivalente 0,008Ω Número total de transistores 4x5=0 Tensión que soportan 6,4 * No debemos ajustar demasiado ya que el reparto no tiene por que se idéntico en cada transistor 54

55 Otras configuraciones Cálculos para el Puente Factor de Utilización del Transformador (FUT) FUT= Potencia aparente sobre la carga Potencia construida P construida 1 i irmsiirms FUT 1 rms I rms rms I rms 1rms I 1rms 1 55

56 Otras configuraciones Cálculos con transformador de toma media DC AB (n, ) 4 DC n sin n N N1 56

57 Otras configuraciones Cálculos con transformador de toma media out 8in min sen max N N 1 8 4(1 0,15) sen N N 1 Relación de transformación N N 1 6,08 out 8in N max min sen sen 6, 08 N 1 8 4(1 0,1) min 0 min 99,1 57

58 Otras configuraciones Cálculos con transformador de toma media Intensidad de pico en el primario del transformador (aproximación n=1) P aparente eficaz I eficaz 0 I eficaz 0,85 I eficaz 1000 /(00,85) 5,35A Intensidad de pico referida al primario I eficaz Número de transistores en paralelo 3 * N N 1 46A Resistencia de transistor equivalente 0,033Ω Número total de transistores 4x3=1 Tensión que soportan 6,4x * No debemos ajustar demasiado ya que el reparto no tiene por que se idéntico en cada transistor 58

59 Otras configuraciones Cálculos con transformador de toma media Factor de Utilización del Transformador (FUT) FUT 1 rms I rms rms I rms 1rms I 1rms FUT 1 rms I rms rms I rms rms I rms Solo circula corriente durante un semiciclo en cada devanado del primario, por eso la corriente eficaz es veces menor 59