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Electrnica de Potencia I
Inversores
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INTRODUCCION
Se conocen como inversoresinversores. Cambia un voltaje CD a un voltaje CA, con la
magnitud y frecuencia deseadas. El voltaje de salida y la frecuencia pueden ser
fijos o variables.
Entrada de CD variable con Ganancia constante salida variable.
Entrada en CD fijo con Ganancia variable salida variable ( PWM)
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Ganancia del inversor: Voltaje de salida en CA entre Voltaje de entrada en CD.
Inversor ideal: Formas de onda del voltaje senoidales.
Inversor real: Contienen ciertas armnicas.
Con respecto a las armnicas:
Mediana y baja potencia:Aceptable
Alta potencia: Necesario onda senoidales de baja distorsin.
Es posible minimizar o reducir significativamente el contenido de armnico del
voltaje de salida mediante las tcnicas de conmutacin.
INTRODUCCION
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Aplicaciones: Propulsin de motores de CA de velocidad variable, Calefaccin
por induccin. Fuentes de respaldo y las de poder Alimentaciones
ininterrumpibles de potencia (UPS)
Entradas: Batera, celda solar, fuente de cd.
Salidas monofsicas tpicas son (1) 120 V a 60 Hz, (2) 220 V a 50 Hz y (3) 115
V a 400 Hz.
Salida trifsica: 220/380 V a 50 Hz, 120/208 V a 60 Hz y 115/200 V a 400 Hz.
Tipos: Inversores monofsicos e inversores trifsicos.
Compuesto por: BJT, MOSFET, IGBT, MCT, SIT, GTO o tiristores de
conmutacin forzada
Segn el circuito intermedio: inversor alimentado por voltaje (VFI) inversor
alimentado por corriente (CFI) inversor enlazado en cd variable.
INTRODUCCION
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PRINCIPIO DE OPERACION
InversoresInversores monofsicosmonofsicos:
Cuando Q1 est activo durante el tiempo To/2, el voltaje instantneo a travs de
la carga Vo es Vs/2. Si slo el transistorQ2est activo durante un tiempo To/2,aparece el voltaje -Vs/2 a travs de la carga. El circuito lgico debe disearse de
tal forma que Q1y Q2no estn activos simultneamente.
Este inversor requiere de una fuente de cd de tres conductores, cuando un
transistor est inactivo, su voltaje inverso es Vs. Conocido como IInversornversor dede
mediomedio puentepuente.
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PRINCIPIO DE OPERACION
El voltaje rms de salida se puede encontrar a partir de:
El voltaje instantneo en series de Fourier es:
El voltaje de la componente fundamental es:
Con carga inductiva, si Q1 es desactivado en t = To/2,
Icarga fluir por D2, la carga y la mitad inferior de la fuente
de CD, hasta que la corriente llegue a cero. Cuando Q2se
desactiva en t=To, Icarga fluir a travs de D1, la carga y la
mitad superior de la fuente de CD. Si D1 o D2conducen,
la energa es retroalimentada a la fuente de cd (diodos de
retroalimentacin). Para una carga puramente inductiva,
un transistor conduce nicamente durante To/2 (es decir
90). Dependiendo del factor de potencia de la carga, el
.perodo de conduccin de un transistor vara desde 90
hasta 180.
Los transistores requieren de un cierto tiempo de
activacin y desactivacin.
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PRINCIPIO DE OPERACION
Para una carga RL:
Para la componente fundamental:
Parmetrosde Rendimiento:Parmetrosde Rendimiento:
La calidad de un inversor se evala por:
Factor armnico de la ensima componente (HFn):
Contribucin armnica individual:
Distorsin total armnica (THD): Medida de la similitudentre la forma de onda y su componente fundamental.
Armnica de menor orden LOH. Componente ms cercana a la fundamental, cuya amplitud
es mayor que o igual al 3% de la componente fundamental
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INVERSORES MONOFASICOSEN PUENTE
Est formado por cuatro pulsadores. Cuando los transistores Q1 y Q2se activan
simultneamente, el voltaje de entrada Vs aparece a travs de la carga. Si los
transistores Q3 y Q4, se activan al mismo tiempo, el voltaje a travs de la carga seinvierte, y adquiere el valor-Vs.
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Voltaje rms de salida:
Voltaje de salida en forma de Fourier:
El valor de la fundamental:
Corriente instantnea:
INVERSORES MONOFASICOSEN PUENTE
)(R
LnArcTan
n
[U !
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Para aplicaciones de alta potencia. Tres inversores monofsicos de medio puente
(o de puente completo) pueden conectarse en paralelo. Las seales estan
desfasadas 120 uno con respecto al otro. Los embobinados primarios del
transformador deben aislarse unos de otros, en tanto que los embobinados
secundarios pueden quedar conectados en estrella (que elimina armnicas
mltiplos de tres) o en delta. Este dispositivo requiere de tres transformadores
monofsicos, 12 transistores y 12 diodos.
INVERSORESTRIFASICOS
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Se puede obtener una salida trifsica con seis transistores y seis diodos. A los
transistores se les puede aplicar dos tipos de seales de control: conduccin a
180 o conduccin a 120.
INVERSORESTRIFASICOSConduccina 180
ConduccinConduccin aa 180180
Cada TR conduce 180. Tres transistores se mantienen
activos durante cada instante. Cuando Q1 est activado,
a se conecta con la terminal positiva. Cuando Q4, est
activado a se lleva a la terminal negativa. En cada ciclo
existen seis modos de operacin, de 60. Los transistoresse numeran segn su secuencia de excitacin (por
ejemplo 123, 234, 345, 456, 561, 612). Las seales de
excitacin mostradas en la figura 10-5b estn
desplazadas 60 unas de otras, para obtener voltajes
trifsicos balanceados (fundamentales).
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Las carga pueden conectarse en estrella o
en delta.
INVERSORESTRIFASICOSConduccina 180
Hay tres modos de operacin: Estrella.
TR: 561, 612, 123, 234, 345, 456
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El voltaje instantneo lnea a lnea Vab se puede expresar en una serie de Fourier,
reconociendo que Vab est desplazada en /6 y las armnicas pares son cero
Observamos queenlosvoltajeslneaalnealasarmnicasmltiplosdetresObservamos queenlosvoltajeslneaalnealasarmnicasmltiplosdetres(n =(n = 3, 9, 15,...) soncero.3, 9, 15,...) soncero.
El voltaje rms lnea a lnea:
El voltaje rms lnea a lnea ensimo:
El voltaje rms lnea a lnea fundamental:
El voltaje rms de fase:
INVERSORESTRIFASICOSConduccina 180
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Inversor Trifsico con carga RL
Con cargas resistivas, los diodos no tienen funcin. Si la carga es inductiva,
Cuando el transistorQ4 est desactivado, la nica trayectoria para la corriente
de lnea negativa ia es a travs de D1 hasta que se invierta la polaridad de la
corriente de la carga en el tiempo t = t1. El tiempo de conduccin de los
transistores y de los diodos depende del factor de potencia de la carga.
La corriente de lnea ia para una carga RL est dada por
INVERSORESTRIFASICOSConduccina 180
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INVERSORESTRIFASICOSConduccina 120
Cada transistor conduce durante 120. En cualquier instante del tiempo, slo
conducen dos transistores 61, 12, 23, 34, 45, 56, 61. Hay tres modos de
operacin en un medio ciclo (estrella).
Modo 1: 0< t< /3, conducen los transistores 1 y 6.
Modo 2: /3 < t< 2/3, conducen los transistores 1 y 2.
Modo 3: 2/3 < t< , conducen los transistores 2 y 3.
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La tensin de entrada al inversor es Ud, que la proporciona el rectificador de entrada. El
inversor acta como un conmutador va comunicando esta tensin a las diversas ramas a
travs de sus semiconductores que responden a las rdenes de los dispositivos de control
de encendido. Permanecen cerrados o abiertos durante unos lapsos temporalesdeterminados funcin de la frecuencia de salida y de la secuencia de fases necesaria para
obtener un sistema trifsico.
Para explicar el proceso de la generacin de las tensiones de salida, suponemos que la
conmutacin es ideal, es decir que las ondas de salida tienen frente escarpado, esto no es
fsicamente posible y depende de lo semiconductores empleados. Por otro lado las
tensiones que intervienen son las siguientes:
Ud = Tensin cc del circuito intermedio.
Regulacindelatensindesalida
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Regulacindelatensindesalida
tenemos las siguientes formas de regular el valor de las tensiones a la salida del
inversor:
Modificar el valor de la tensin Uden el circuito intermedio, con un rectificador
de entrada que ha de ser controlado.
Variar el ancho de conduccin de la tensin de salida retrasando y
adelantando la conduccin y bloqueo de los semiconductores respecto de sus
pasos por 0 y 180.
Conmutar los semiconductores del ondulador varias veces por cada ciclo de la
frecuencia fundamental, de modo que la proporcin entre los tiempos de
encendido ton y de apagado toff, d el valor medio de la tensin de salida
mediante la relacin ton/(ton + toff).
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Usamos rectificador controlado y tensin continua de valor:
VARIACIN DEL VALOR DELA TENSIN EN ELCIRCUITO INTERMEDIO
El puente de entrada tiene un consumo de reactivacreciente con el ngulos de control . Las ondas en el
motor se ven en la figura.
Las tensiones que se aplican al motor, son ms
escalonadas, y su contenido en armnicos es menor que
el de las ondas cuadradas. Aun as las corrientes que
absorbe el motor dan los efectos indeseados
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Si el rectificador de entrada no es controlable, se puede variar el ancho de la
zona de conduccin de cada semionda de salida desde sus valores extremos
tericos de 0 y 180. El armnico fundamental vara por este mtodo entre O ysu valor mximo de (4/) Ud. Sin embargo, los armnicos que se generan son
muy importantes, incluso los de rdenes bajos y son malamente filtrados por el
motor con lo que ste absorbe una intensidad muy distorsionada. Este mtodo
se emplea poco.
VARIACIN DELANCHO DELA TENSIN DESALIDA
CONMUTACIN PULSADA VARIAS VECES POR CICLO. MTODOS PWM
El acrnimo que designa comercialmente a este mtodo de regulacin de
tensin de salida viene de su designacin inglesa Pulse Width Modulation. Se
pueden emplear en la etapa de entrada rectificadores no controlados de tensin
c/c fija y con bajo consumo de reactiva de la red. La proporcin entre los tiempos
de conexin y desconexin de los semiconductores de potencia, da el valor
mximo de la tensin entre fases en el lado de salida de acuerdo con la frmula
aproximada:
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Con PWM se regula la salida y genera ondas con alto componente de la
fundamental y reducido armnicos superiores. El motor acta como filtro.Los sistemas PWM ms usuales son :
1. Nmero variable de pulsos por ciclo fijo.
2. Nmero fijo de pulsos por ciclo variable. Comprende:
Modulacin senoidal.
Sobremodulacin.Cancelacin selectiva de armnicos.
Estos mtodos cumplen simultneamente dos objetivos:
Regulan el valor de la tensin de salida.
Minimizan los armnicos de la onda de tensin de salida
CONMUTACIN PULSADA VARIAS VECES POR CICLO. MTODOS PWM
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CONMUTACIN PULSADA VARIAS VECES POR CICLO. MTODOS PWM
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Aplicaciones
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Ejercicios
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Ejercicio 1
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Ejercicio 2
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Ejercicio 3
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Solucin 1Solucin 1
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Solucin 2