ELECTRONICA DE POTENCIA II

UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CENTRO DEL PER

INDICE

INTRODUCCION2I.OBJETIVOS3II.CONTENIDO4III.INVERSORES MONOFASICOS71.INVERSORES NO MODULADOS72.INVERSORES MODULADOS8IV.INVERSORES MONOFASICOS114.1.INVERSOR MEDIO PUENTE114.2.INVERSOR EN PUENTE COMPLETO144.3.INVERSOR BIPOLAR16V.CONCLUSIONES20VI.BIBLIOGRAFIA21

INTRODUCCION

En la electrnica de potencia ha evolucionado de manera acelerada en los ltimos 20 aos. El desarrollo de elementos semiconductores de potencia ha propiciado que se puedan realizar conversiones de energa de manera eficiente y a niveles altos de potencia. Todo esto ha ayudado a satisfacer las necesidades crecientes de las aplicaciones industriales. Por todo esto, la electrnica de potencia ya es una materia bsica en las carreras de licenciatura con enfoque en la electrnica. As, los diferentes mtodos de conversin de energa CA-CD, CD-CD, CA-CA, CD-CA son analizados y estudiados.

OBJETIVOS

Conocer sin los inversores son circuitos de tienen como finalidad suministrar tensin o corriente alterna, variable en magnitud y frecuencia a partir de una fuente de corriente continua

Demostrar que las principales aplicaciones de los inversores son el control de velocidad y posicin de las mquinas de corriente alterna, la fabricacin de fuentes interrumpidas de potencia (UPS) para cargas trifsicas y dispositivos de corriente alterna que funciones a partir de una batera.

Determinar la modulacin del PWM

Explicar EL PWM proporciona un mtodo para disminuir el factor de distorsin armnica THDF en la corriente que suministra el inversor a la carga.

CONTENIDO

La funcin de un inversor es cambiar un voltaje de entrada de corriente continua a un voltaje simtrico de salida de corriente alterna, con la magnitud y frecuencia deseada por el usuario o el diseador. Los inversores se utilizan en una gran variedad de aplicaciones, desde pequeas fuentes de alimentacin para computadoras, hasta aplicaciones industriales para controlar alta potencia. Los inversores tambin se utilizan para convertir la corriente continua generada por los paneles solares fotovoltaicos, acumuladores o bateras, etc, en corriente alterna y de esta manera poder ser inyectados en la red elctrica o usados en instalaciones elctricas aisladas.Un inversor simple consta de un oscilador que controla a un transistor, el cual se utiliza para interrumpir la corriente entrante y generar una onda rectangular.Esta onda rectangular alimenta a un transformador que suaviza su forma, hacindola parecer un poco ms una onda senoidal y produciendo el voltaje de salida necesario. Las formas de onda de salida del voltaje de un inversor ideal debera ser sinusoidal. Una buena tcnica para lograr esto es utilizar la tcnica de PWM logrando que la componente principal senoidal sea mucho ms grande que las armnicas superiores.Los inversores ms avanzados utilizan la modulacin por ancho de pulsos con una frecuencia portadora mucho ms alta para aproximarse ms a la onda seno o modulaciones por vectores de espacio mejorando la distorsin armnica de salida. Tambin se puede predistorsionar la onda para mejorar el factor de potencia (cos ).La modulacin por ancho de pulsos (tambin conocida como PWM)De una seal o fuente de energa es una tcnica en la que se modifica el ciclo de trabajo de una seal peridica (una senoidal o una cuadrada, por ejemplo), ya sea para transmitir informacin a travs de un canal de comunicaciones o para controlar la cantidad de energa que se enva a una carga.Los inversores se ubican en la electrnica de potencia en el campo de la conversin energtica, en concreto en la conversin continua alterna (DC/AC).La evolucin que han experimentado los semiconductores, en trminos de frecuencia de conmutacin, prdidas en conduccin y facilidad de gobierno ha contribuido en gran medida a la popularizacin de este tipo de convertidores y de su evolucin. En este tipo de equipos, de mediana / alta potencia, la tendencia es disminuir los costes y aumentar la eficiencia, (frente a la tendencia en la lnea de baja potencia, en la cual se prima la miniaturizacin), objetivo que pasa por la optimizacin de los dispositivos semiconductores empleados; por otro lado, el auge experimentado en el campo de la electrnica digital, ha permitido que los procesadores estn al alcance de los diseadores a muy bajo coste y con potentes herramientas de depuracin y desarrollo. De esta manera, se pueden plantear estrategias de control complejas sin aumento apreciable en los costes finales del equipo.Este tipo de convertidores se ha visto fuertemente impulsado en su desarrollo gracias a una de sus aplicaciones: el control de velocidad, par etc. de los motores de induccin. De hecho, los inversores han venido a sustituir los tradicionales reductores mecnicos en el campo del control de motores, con indudables ventajas con respecto a estos: mejor rendimiento, ausencia de elementos mecnicos de desgaste, vibraciones, mayor versatilidad en el control, etc.

Este aspecto cobra especial importancia al tratar de motores trifsicos asncronos con rotor con jaula de ardilla, los cuales presentan indudables ventajas, como son: La ausencia del colector y escobillas de carbn facilitan de forma notable el mantenimiento de los mismos, adems de una prolongacin de su vida media. No producen chispas, por lo que no generan parsitos. Cuentan con un par de arranque y mximo de valores elevados. Soportan sobrecargas tpicas sin demasiados problemas. Tienen unas dimensiones realmente compactas.El precio que hay que pagar por estas buenas caractersticas es quizs que la velocidad de estos motores depende de caractersticas constructivas (nmero de pares de polos) y de la frecuencia de la tensin de alimentacin (50 Hz tpica), lo cual obliga al empleo de reductores mecnicos, con los inconvenientes anteriormente aludidos.Este inconveniente desaparece con el empleo de inversores, debido a que estos ofrecen la posibilidad de variar tanto la frecuencia de la tensin alterna obtenida as como su amplitud. En estas condiciones, se pueden gobernar la velocidad de rotacin, par e incluso frenar e invertir el sentido de giro sin mayores problemas y de una forma precisa. Como ejemplo tpico de aplicacin de control de velocidad de motores, lo constituyen los vehculos impulsados de forma elctrica: trenes carretillas industriales, etc.Los sistemas de alimentacin ininterrumpida (SAI) son otros de las sistemas que emplean inversores como topologa utilizada en la etapa de potencia: en este caso la aplicacin es ms clara si cabe ya que el funcionamiento bsico de estos equipos consiste en almacenar energa elctrica en bateras o acumuladores, para que, cuando el suministro elctrico falle, se obtenga la alimentacin de los equipos conectados a la red sin que el usuario advierta la falta de fluido elctrico.Son muchos los puntos de vista desde los cuales se pueden clasificar los circuitos inversores; en esta leccin nos centraremos en los inversores realizados con dispositivos semiconductores, dejando de lado los realizados por medio de elementos vibradores electromecnicos.En este sentido, una posible clasificacin que se puede realizar de los inversores segn con que semiconductor se implementen los interruptores: tiristores o transistores. Los primeros se pueden subdividir a su vez en inversores de bloqueo natural o forzado (con fuente inversa de tensin o de corriente); los segundos es posible a su vez subdividirlos en auto excitado o con excitacin independiente.Es posible establecer otra clasificacin en funcin de las caractersticas de salida configuraciones en medio puente, puente completo monofsico y puente completo trifsico- o en sus caractersticas de entrada: inversor alimentado en tensin o en corriente, segn de que tipo sea la fuente primaria de entrada. La inclusin o no de un transformador de aislamiento introduce una caracterstica ms a la hora de clasificar este tipo de convertidores.Para el caso de los inversores con transistores, se puede establecer otra clasificacin basndose en el mtodo de excitacin de la base de los transistores que configuran la topologa de potencia: de esta forma tenemos los inversores de onda cuadrada, PWM de alta frecuencia, con control de desplazamiento de fase.

Aplicaciones de inversores utilizando el equipo Phoenix basado en la conversin de energa DC a AC. Con la tcnica del PWM.

INVERSORES MONOFASICOS

Los convertidores de cd/ca se conocen como inversores. La funcin de un inversor es cambiar un voltaje de entrada en cd a un voltaje simtrico de salida en ca, con la magnitud y frecuencia deseadas. Tanto el voltaje de salida como la frecuencia pueden ser fijos o variables. Si se modifica el voltaje de entrada de cd y la ganancia del inversor se mantiene constante, es posible obtener un voltaje variable de salida. Por otra parte, si el voltaje de entrada en cd es fijo y no es controlable, se puede obtener un voltaje de salida variable si se vara la ganancia del inversor: esto por lo general se hace controlando la modulacin del ancho de pulso (PWM) dentro del inversor. La ganancia del inversor se puede definir como la relacin entre el voltaje de salida en ca y el voltaje de entrada en cd.INVERSORES NO MODULADOS

Los inversores no modulados, fueron estudiados diferentes topologas que permitan realizar la conversin CC/CA de una forma sencilla. Estos circuitos permitieron mostrar el funcionamiento de un circuito en medio puente o en puente completo, la circulacin de la corriente reactiva a travs de los diodos en anti paralelo con los interruptores, el contenido armnico de las seales utilizadas, el filtrado y finalmente la regulacin de tensin.Los sistemas no modulados, aunque son muy sencillos de implementar, tienen un gran nmero de desventajas: La tensin obtenida presenta una distorsin elevada. Necesitan filtros voluminosos. Las frecuencias de corte de los filtros son tan bajas que dificultan el funcionamiento a distintas frecuencias.

Estos inconvenientes limitan la utilizacin de los inversores no modulados en aplicaciones tales como la variacin de velocidad de motores asncronos, donde las tensiones no senoidales producen vibraciones en los motores y el rango de variacin de las frecuencias ( 10 a 400Hz) dificulta la utilizacin de filtros.Una seal no modulada presenta armnicos muy prximos a la fundamental, por lo que requiere filtros con frecuencias de corte muy bajas. Estos filtros pueden llegar a atenuar no solo los armnicos sino tambin la fundamental obligando al inversor a trabajar con tensiones elevadas. En el caso anterior (un variador de frecuencia para un motor) sera necesario utilizar un filtro prximo a 10 Hz para obtener una tensin con baja distorsin en las frecuencias ms bajas de funcionamiento. El filtro utilizado imposibilitara el funcionamiento a 400Hz ya que el filtro atenuara la tensin del inversor en ms de 40dB (suponiendo un filtro de segundo orden).Para evitar el problema descrito en el prrafo anterior sera muy interesante obtener una seal donde los armnicos y la fundamental estuvieran muy separados. As, se obtendra una doble mejora. Por una parte se reduce el tamao del filtro y por otra se evita que influya sobre la fundamental. Estas ventajas pueden conseguirse utilizando el control de tensin mediante modulacin de ancho de pulso (PWM, Pulse Width Modulation).

INVERSORES MODULADOS

MODULACIONEn un convertidor reductor se controlaba la apertura y cierre de un interruptor de manera que la tensin aplicada a un filtro tuviera como valor medio el deseado. Estas secuencias de disparo se obtenan mediante la interseccin de una seal en diente de sierra con una seal denominada de control que fijaba el valor del ciclo de trabajo utilizado y por tanto de la tensin a la salida.

Fig.1 ModulacinMODULACION SENOIDAL-TRIANGULARComo ya se ha mencionado, el concepto de modulacin fue utilizado en los convertidores CC/CC. Sin embargo, aplicar esos conocimientos a los inversores es un poco ms complejo ya que se trata de obtener tensiones alternas. Para obtener las tensiones necesarias se utilizar una seal de control senoidal que ser comparada con una seal triangular. La seal triangular fija la frecuencia de conmutacin y generalmente se mantiene constante.La Fig. 2 muestra una rama (Rama A) de un inversor modulado donde la secuencia de apertura y cierre de los interruptores (T A+ y T A-) ha sido obtenida mediante la interseccin de una seal triangular (VTriangular) y una seal senoidal (Vcontrol). Cuando la tensin de control es mayor que la tensin de la triangular se cerrar el interruptor T A+, de igual forma cuando la tensin triangular supere a la de control se cerrar el interruptor T A-.Dada la disposicin de los interruptores funcionarn complementariamente. Si cerramos los dos interruptores a la vez se producir un cortocircuito!.

Fig.2 Inversor Medio Puente

La seal triangular tiene un valor de pico VTP y una frecuencia fT (seal portadora). La seal de control tendr un valor de pico VCP y una frecuencia fC (seal moduladora). La relacin entre la tensin la tensin de pico de la seal de control y la triangular es conocida como ndice de modulacin en amplitud.

La relacin entre las frecuencias tambin ser un parmetro muy importante en la clasificacin de los sistemas modulados. Se conocer como ndice de modulacin en frecuencia.

Fig.3 Frecuencia de Portadora mucho menor que la Frecuencia de control

INVERSORES MONOFASICOS

1.1. INVERSOR MEDIO PUENTE Como se ha comentado con anterioridad, esta ser la topologa base que ser utilizada para la deduccin del funcionamiento de los dems convertidores modulados. La Fig. 6 muestra un inversor en medio puente con modulacin PWM. Para obtener una alimentacin con un punto medio se han utilizado dos fuentes de tensin continua. Sin embargo, en la mayor parte de las aplicaciones se utilizarn dos condensadores iguales. El tamao de estos condensadores deber ser lo suficientemente grande para que la tensin a travs de ellos pueda considerarse constante.La tensin obtenida en los terminales VA0 variar entre VD/2 y VD/2 con una secuencia que depender de la seal de control y la seal triangular. Los resultados mostrados en la figura4 han sido obtenidos con un ndice de modulacin en amplitud de 0,8 y un ndice de modulacin en frecuencia 15. Como puede comprobarse en esa misma figura, los armnicos de VA0 aparecen en las cercanas de la frecuencia de la seal triangular. Adems dada la simetra de la tensin solo tiene armnicos impares. El valor de la fundamental podr calcularse mediante la expresin ya deducida. Si la frecuencia de corte del filtro ha sido seleccionada adecuadamente, la tensin aplicada a la carga ser muy similar a la fundamental mostrada en la figura4. Los interruptores utilizados en el medio puente soportan una tensin igual a VD y una corriente de pico igual a la que circula por el filtro y la carga.

Fig4. Funcionamiento de un Medio Puente

Los resultados mostrados en los prrafos anteriores son correctos siempre y cuando ma