ELECTRONICA INDUSTRIAL Capítulo 5: Inversores Marcelo A. Pérez Segundo semestre 6
Introducción Principio de funcionamiento Diagrama conceptual Convertir una señal continua en alterna : amplitud, frecuencia y fase regulable Son generalmente de conmutación forzada: IGBTs, IGCTs y MOSFETs Pueden ser mofásicos o trifásicos Usualmente tienen como entrada un rectificador para producir la fuente DC En algunas aplicaciones la fuente DC es proporcionada de otra forma (baterías, paneles fotovoltaicos, etc.)
Introducción 3
Inversores mofásicos Inversor Semipuente Circuito de potencia: Los semiconductores son controlados con lógica inversa: evita cortocircuitar la fuente Vdc. La carga se conecta entre la fase y el neutro: los dos Fig. a es con switch genérico y la Fig. b con IGBT a y o. 4
Inversores mofásicos Inversor Semipuente Estados de conducción: S= con corriente de carga positiva 5
Inversores mofásicos Inversor Semipuente Estados de conducción: S= con corriente de carga positiva 6
Inversores mofásicos Inversor Semipuente Estados de conducción: S= con corriente de carga negativa 7
Inversores mofásicos Inversor Semipuente Estados de conducción: S= con corriente de carga negativa 8
Inversores mofásicos Inversor Semipuente Estados de conducción: resumen Estado Señal de control Corriente Conduce Tensión de salida S S ia T D T D vao > si Vdc/ < si Vdc/ 3 > si -Vdc/ 4 < si -Vdc/ 9
Inversores mofásicos Inversor Semipuente Valor rms de la tensión de salida: vao,rms = T Armónicas en la tensión de salida: v (t ) = ao T / ò Vdc V dt = dc 4 Vdc sin( nwt ) p n n =,3,5,... å Componente fundamental de la tensión de salida (valor rms): Distorsión armónica total THD: vao, f = Vdc».45Vdc p Vrms Vdc / 4 THD = - = -».48 = 48% Vrms.45 V,f dc
Inversores mofásicos Inversor Puente H Circuito de potencia: Es la conexión en paralelo de dos semipuentes. La carga se conecta entre ambas piernas: los dos Los semiconductores de cada pierna son controlados con lógica inversa Lo anterior evita cortocircuitar la fuente Vdc. a y b. S x = S x x {a, b }
Inversores mofásicos Inversor Puente H Estados de conducción: Sa, Sb con corriente de carga positiva
Inversores mofásicos Inversor Puente H Estados de conducción: Sa, Sb con corriente de carga positiva 3
Inversores mofásicos Inversor Puente H Estados de conducción: Sa, Sb con corriente de carga positiva 4
Inversores mofásicos Inversor Puente H Estados de conducción: Sa, Sb con corriente de carga positiva 5
Inversores mofásicos Inversor Puente H Estados de conducción: Sa, Sb con corriente de carga negativa 6
Inversores mofásicos Inversor Puente H Estados de conducción: Sa, Sb con corriente de carga negativa 7
Inversores mofásicos Inversor Puente H Estados de conducción: Sa, Sb con corriente de carga negativa 8
Inversores mofásicos Inversor Puente H Estados de conducción: Sa, Sb con corriente de carga negativa 9
Inversores mofásicos Inversor Puente H Estados de conducción: resumen Estado Señal de control Corriente Conduce Tensión de salida Sa Sb ia Ta Da Ta Da Tb Db Tb Db vab > si si Vdc < si si Vdc 3 > si si 4 < si si 5 > si si 6 < si si 7 > si si -Vdc 8 < si si -Vdc
Inversores mofásicos Inversor Semipuente Valor rms de la tensión de salida: V dc α π Componente fundamental de la tensión de salida (valor rms): Distorsión armónica total THD: 4 V dc cos (α) π cos (α) α 8 4π.. THD.9.8.7.6.5.4 3 4 5 6 7 8 9 ángulo
Inversores mofásicos Modulacion PWM bipolar
Inversores mofásicos Modulacion PWM bipolar Índice de modulación: es la razón entre la amplitud de la fundamental y la amplitud máxima de salida: M semipuente = Vˆ Vdc / 3
Inversores mofásicos Modulacion PWM bipolar mf = f carrier f 4
Inversores mofásicos Modulacion PWM bipolar M puente = Vˆ Vdc 5
Inversores mofásicos Modulación PWM unipolar mf = f carrier f 6
Inversores mofásicos Modulación PWM unipolar 7
Inversores mofásicos Muestreo de modulación Muestreo natural (Continuo) Muestreo regular (discreto) 8
Inversores trifásicos Conexión de la carga: Con carga trifásica balanceada la corriente entre neutros es nula. No se hace necesaria la conexión de los neutros. Esto permite simplificar el circuito, conectar cargas en triángulo, y mejorar la tensión de salida. El devanado solo debe bloquear la tensión de modo común. 9
Inversores trifásicos Inversor fuente de voltaje trifásico Conexión de la carga: No es necesaria la conexión con el neutro del inversor. Esto permite simplificar el circuito, conectar cargas en triángulo, y mejorar la tensión de salida. 3
Inversores trifásicos Inversor fuente de voltaje trifásico Voltajes de salida del inversor: operación con forma de onda cuadrada P Sa V dc + Sb Sc Sb Sc van Sa N a b vab c van n La tensión línea-línea posee tres niveles. Esto concuerda con la topología puente H, dado que vab está conectada como puente. La tensión en la carga posee 4 niveles (para el caso de operación con onda cuadrada) 3
Inversores trifásicos Inversor fuente de voltaje trifásico Armónicas en la tensión: operación con forma de onda cuadrada van (t ) = Vdc ép ù + sin w t + sin 3 w t + sin 5 w t + sin 7 w t +... ( ) ( ) ( ) ( ) o o o o úû p êë 4 3 5 7 vab (t ) = Vdc 3é ù p p p sin w t + + sin 5 w t + sin 7 w t + +... ( ) ( ) ( ) o o o 6 6 6 úû p êë 5 7 La tensión línea-línea tiene valor medio ni tercera armónica (ni otros múltiplos de tres) 3
Inversores trifásicos Operación con forma de onda cuadrada Valor rms de la tensión línea-línea de salida: vab,rms = p ò Vdc d wt = Vdc».865Vdc 3 Armónicas en la tensión línea-línea de de salida: vab (t ) = p / 3 3 Vdc sin ( nwt + p / 6 ) n =,5,7,... p n å Componente fundamental de la tensión de salida (valor rms): vab, f = 3 Vdc».7797Vdc p Distorsión armónica total THD: Vrms / 3Vdc THD = - = -».38 = 3% Vrms.7797 V,f dc 33
Inversores trifásicos Inversor fuente de voltaje trifásico Modulación PWM bipolar: formas de onda vab=van -vbn La tensión fase neutro carga tiene 5 niveles (ahora incluye el cero) 34
Inversores trifásicos Inversor fuente de voltaje trifásico Modulación PWM bipolar: diagrama de control 35
Inversores trifásicos Inversor fuente de voltaje trifásico Modulación PWM bipolar: espectros vab=van -vbn Se eliminan todas las armónicas meres que mf - Las armónicas se centran entor a mf y sus múltiplos mf, 3mf, etc. El análisis es valido sólo si mf 9 y si es múltiplo de 3. mf = f carrier f 36
Inversores trifásicos Inversor fuente de voltaje trifásico Modulación PWM bipolar: armónicas tensión línea-línea Si la frecuencia de la portadora es múltiplo entero de la fundamental, se dice que es PWM sincrónica (usualmente múltiplo de 3). Si la frecuencia de la portadora es fija y se varía la fundamental, se está en presencia de PWM asincrónica. 37
Sobremodulación Aspectos teclógicos Sobre-modulación: ejemplo PWM bipolar en inversor trifásico Ocurre sobre-modulación cuando el índice de modulación: Vˆ M= > Vˆcarrier Otra forma de tarlo es que las referencias superan el rango lineal de las portadoras. Esto reduce el número de conmutaciones e introduce más bandas laterales, y en consecuencia habrá armónicas de mer frecuencia. La fundamental también es del valor deseado. 38
Sobremodulación Inyección de tercera armónica - 5 5 5 3 35.3. 5 5 5 3 35-5 5 angle 5 3 35. Voltaje de salida -..9.8.7.6.5.5 5 5 harmonics 5 3.4.5.6.7.8.9...3.4.5 Indice de modulacion 39
Modulacion Eliminación selectiva de armónicas 4
Modulación Modulación por histéresis (modo corriente) 4
4
Pérdidas por conmutación Aspectos teclógicos Pérdidas por conmutación: análisis de un pierna de inversor a) Con corriente positiva: ic ic vce Apagado de S vce Encendido de S Corriente negativa producida por el diodo de S (Reverse recovery) vce ic Off On Off Pérdidas conmutación Pérdidas conducción Potencia transmitida a la carga Encendido de S Apagado de S 43
Total Harmonic Distorsion Definición y cálculo del THD Partiendo del valor rms de una señal: T vrms = v ( t ) dt () T ò Reemplazando en () la serie de Fourier de: v(t ) = V + V cos wt + V cos wt + V3 cos w3t +... T vrms = () åå VnVk cos(nwt ) cos(kwt )dt T ò n = k = Al expandir la integral, los térmis con múltiplos entre n k se anulan T T ù é Vn vrms = V cos ( n w t ) dt = v + ( + cos n w t ) å n ú dt ê å T ò n= T ò ë n = û Los térmis de doble frecuencia se integran a cero vrms Vn = V +å n = (3) (4) Considerando el valor rms de cada armónica en (4), queda vrms = V + åvn,rms (5) n = 44
Total Harmonic Distorsion Definición y cálculo del THD Sacando la fundamental de la raíz vrms = V + å V n = vrms = V,rms n, rms V V + + å n,rms V,rms n= V,rms (6) Definiendo THD como la parte rms de la señal sin incluir la fundamental se tiene: V V n, rms THD = + å V,rms n = V,rms (7) Reemplazando (7) en (6). vrms = V,rms + THD Reemplazando THD en (8): Vrms THD = - Vrms,f (8) (9) Otra forma es considerar V=, y los valores peak en lugar de rms en (7): Vn THD = å n = V () Dos formas de calcular volver 45