INSTITUTO TECNOLOGICO DE COSTA RICA INGENIRIA ELECTRONICA ELECTRONICA DE POTENCIA PROF. ING. JUAN CARLOS JIMENEZ TEMA: CIRCUITOS INVERSORES Son sistemas que funcionan automáticamente, sin necesidad de estar conectados a ninguna red de alterna, de forma que se permita la transformación de corriente continua a alterna cuando en el lado de alterna sólo hayan receptores de energía. A estos dispositivos se les llaman inversores. Existen diferentes tipos de inversores clasificados por su tensión de salida en monofásicos y trifásicos, también por su estructura y funcionalidad: 1. Inversor con transformador Presenta la gran ventaja de que la tensión de salida depende no solo de la tensión de la fuente CD de entrada sino de la relación de transformación del transformador utilizado. Considere el siguiente diagrama: Ambos tiristores conducen en forma alternada, induciendo en el secundario donde se conecta la carga una tensión que cambia de polaridad de acuerdo con el tiristor que conduce. La única forma de apagar los tiristores es a través de la tensión inversa que le provee el capacitor C. Este se carga a través de la mitad correspondiente del primario del transformador. El valor de este capacitor esta en función del tiempo necesario para apagar el tiristor, las características eléctricas del primario y de la carga conectada en el secundario. Recordar que la forma de onda de la tensión de salida es rectangular lo que para algunos tipos de carga no es un problema, en otros casos se tendrá que utilizar un filtro para reducir armónicas y dejar la fundamental de forma senoidal. 2. inversor semipuente Es el tipo de inversor mas simple es el cuyo principio de funcionamiento se basa en la conducción de un tiristor durante un semiperíodo, instante durante el cual se le aplica a la carga una tensión igual a Vs/2, junto con la imposición de una conducción alternada y no simultánea de ambos tiristores. La tensión rms V R puede expresarse como: La serie de Fourier para la tensión de salida y la corriente para carga RL son: 3. inversor tipo puente En todos los inversores, si la carga es resistiva pura, la forma de onda de corriente es la misma que la de tensión, con la escala correspondiente. Sin embargo, cuando la carga dispone de componentes reactivas, la intensidad estará desfasada positiva o negativamente frente a la tensión. En los intervalos en los que la corriente y tensión no coincidan en signo, los tiristores se cortarán necesitando la incorporación de diodos en antiparalelo, para posibilitar un conmutador bidireccional en corriente, a continuación se muestra el diagrama de un inversor tipo puente que tiene la gran ventaja de utilizar solo una fuente CD de entrada pero debe utilizarse mas cantidad de tiristores. En general las cargas alternas de los inversores no suelen ser simplemente resistivas. Casi sin excepción, el factor de potencia en la carga no es la unidad y en la mayoría de casos la potencia media que se transfiere a la carga corresponde únicamente a la frecuencia del fundamental, dado que las cargas dispondrán de su componente reactiva. 1
Manteniendo disparados Q1 y Q3, el extremo + de la carga queda conectado al polo positivo de la batería y el extremo - al polo negativo, quedando la carga sometida a la tensión V de la batería. Bloqueando Q1 y Q3 y disparando Q4 y Q3, la tensión en la carga se invierte. Haciendo esto de forma alternativa, la carga queda sometida a una tensión alterna cuadrada de amplitud igual a la tensión de la batería V, lo cual supone una ventaja con respecto al inversor con batería de toma media en el semipuente. En contrapartida, aquí se necesitan el doble semiconductores que en dicha configuración. La tensión rms de salida se calcula asi: La expresión para la tensión de salida en términos de la serie de Fourier para este inversor es:. Inversor tipo puente Si la carga es un circuito de comportamiento RLC, la corriente en ella tiene la siguiente expresión: Las formas de onda correspondientes a un factor de potencia adelantado son las siguientes 2
La forma de la corriente por la carga depende de los componentes de ella. En la siguiente figura se presentan diversas formas de corriente para varios tipos de carga. Si tenemos una carga con predominio inductivo, la corriente estará retrasada con respecto a la tensión y adelantada si este predominio es capacitivo, como podemos ver en la figura (d) y en la figura (c) respectivamente. En las figuras anteriores vemos que las formas de onda se aproximan tanto más a una sinusoide cuanto menor sea el factor de amortiguamiento R<<L y cuando la inductancia y la capacitancia estén próximas a la resonancia para: 1 ωl = ωc 3
CARGA RLC SUBAMORTIGUADO (DOMINA C), CIRCUITO SEMI-PUENTE CARGA RLC SOBREAMORTIGUADO (DOMINA L), CIRCUITO SEMI-PUENTE 4
4. inversor trifásico Los inversores trifásicos se utilizan en aplicaciones de mayor potencia, pudiendo estar formados por tres inversores monofásicos independientes conectados a la misma fuente, lo cual se muestra en la siguiente figura. La única exigencia será el desfase de 120º de las señales de disparo de cada inversor con respecto a los demás, para conseguir una tensión equilibrada a la salida. 180º grados de conducción: Cada tiristor conduce 180º, de forma que siempre existirán tres conduciendo simultáneamente. Las terminales A, B, C, estarán conectados al borne positivo de la batería de entrada o al Terminal negativo de la misma. De la secuencia de disparo (156,126,123,234,345,...) se obtendrán 6 intervalos de funcionamiento distintos, agrupados en 3 modos. 120º grados de conducción: Cada tiristor conduce 120º, de forma que siempre existirán dos transistores conduciendo simultáneamente. De la secuencia de disparo (12,23,34,45,56,61...) se obtendrán 3 intervalos de funcionamiento distintos, en un semiciclo de la tensión de salida. Expresando la tensión de salida de línea del inversor con conducción a 180º, se obtiene: Para obtener la expresión correspondiente a la tensión de fase basta con dividir la amplitud por 3 y retrasar la fase en 6 π Si la carga esta en estrella, se puede hallar la expresión para la corriente de línea dividiendo esta tensión de fase por la impedancia. Por tanto la corriente es: 5
TENSIONES DE LÍNEA Y DE FASE PARA EL INVERSOR TRIFÁSICO Y CONDUCCIÓN A 180º 6
TÉCNICAS DE VARIACIÓN DE TENSIÓN RMS Sea cual sea el tipo de inversor se puede aplicar un PWM a la entrada de los dispositivos de control de potencia. Ese PWM puede ser una señal modificada no solo por el ancho del pulso sino por la cantidad de pulsos que se apliquen. La modificación de la forma de onda de salida de un inversor tiene dos objetivos fundamentales: variar la tensión de salida entre unos márgenes más o menos amplios. controlar de alguna manera la generación de armónicas Existen varias técnicas para modificar la forma de la tensión de salida del inversor de acuerdo con la modulación utilizada: modulación en anchura de un pulso por semiperíodo. modulación en anchura de varios pulsos por semiperíodo. modulación senoidal. modulación senoidal modificada. modulación con alternancias positivas y negativas en cada semiperíodo. En el caso de un pulso por semiperiodo sólo existe un pulso por cada semiciclo, y variando la anchura de este pulso controlamos la tensión de salida del inversor. A la entrada de cada tiristor se aplica una señal g1 y g 2 para provocar una forma de la tensión de salida como la mostrada. La frecuencia de la señal de referencia determina la frecuencia de la tensión de salida y variando Ar desde 0 hasta Ac, conseguimos variar la anchura del pulso desde 0º hasta 180º. La relación entre las amplitudes Ar y Ac determina el " índice de modulación M ". A A r M =. La tensión RMS de salida viene dada por: C La tensión instantánea de salida se expresa como una serie de Fourier de la siguiente forma: La distorsión armónica total de la salida viene dada por: 7
Si se realizara una variación en el índice de modulación se logra modificar no solo las amplitudes de los componentes armónicos de la tensión de salida sino del porcentaje de distorsión. Observe que si M=0.8, la distorsión es minima debido a la eliminación de la 3ª armónica. Cuando la modulación es de varios anchos de pulso, a medida que aumentamos el número de pulsos por ciclo cobran mayor importancia en amplitud los armónicos de orden superior, por lo que resulta mucho más fácil el filtrado posterior de la señal y obtener una onda senoidal lo más perfecta posible. Cuando la tensión entregada a la carga se necesita que sea lo más senoidal posible, con o sin filtro de salida, conviene reducir al máximo el contenido de armónicos de la onda de salida. En este tipo de modulación se cumplen dos cosas: la frecuencia fr de la señal de referencia nos proporciona la frecuencia f que tendrá la señal de salida, y la frecuencia fc de la onda portadora nos determina el número p de pulsos por semiciclo. el índice de modulación M controla la tensión RMS de salida. El número de pulsos por semiciclo lo obtenemos del siguiente modo: 8
donde mf es conocida como la proporción de la frecuencia de modulación. La variación del índice de modulación de cero a uno, nos variará el ancho del pulso de 0 a p/π y la tensión de salida desde cero a Vs. Si δ es la anchura de cada pulso, la tensión RMS de salida se obtiene a partir de: La forma de la señal de salida se muestra a continuación: La tensión instantánea de salida en series de Fourier se expresa como:, Bn se determina al considerar un par de pulsos, tal que el pulso positivo, de duración d comienza para wt = αm y el pulso negativo de la misma anchura comienza para wt = αm+ π. 9