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ELECTRONICA INDUSTRIALCapítulo 5: Inversores
Marcelo A. PérezSegundo semestre 2016
Electrónica Industrial/Inversores 2
Introducción
● Principio de funcionamientoDiagrama conceptual
Convertir una señal continua en alterna : amplitud, frecuencia y fase regulableSon generalmente de conmutación forzada: IGBTs, IGCTs y MOSFETsPueden ser monofásicos o trifásicosUsualmente tienen como entrada un rectificador para producir la fuente DCEn algunas aplicaciones la fuente DC es proporcionada de otra forma (baterías, paneles fotovoltaicos, etc.)
Electrónica Industrial/Inversores 3
Introducción
Electrónica Industrial/Inversores 4
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 nodos a y o.
Fig. a es con switch genérico y la Fig. b con IGBT
● Inversor Semipuente
Inversores monofásicos
Electrónica Industrial/Inversores 5
Estados de conducción: S1=1 con corriente de carga positiva
Inversores monofásicos
● Inversor Semipuente
Electrónica Industrial/Inversores 6
Estados de conducción: S2=1 con corriente de carga positiva
Inversores monofásicos
● Inversor Semipuente
Electrónica Industrial/Inversores 7
Estados de conducción: S2=1 con corriente de carga negativa
Inversores monofásicos
● Inversor Semipuente
Electrónica Industrial/Inversores 8
Estados de conducción: S1=1 con corriente de carga negativa
Inversores monofásicos● Inversor Semipuente
Electrónica Industrial/Inversores 9
Estados de conducción: resumen
Estado Señal de control Corriente Conduce Tensión de salida
S1 S2 ia T1 D1 T2 D2 vao
1 1 0 >0 si no no no Vdc/2
2 1 0 <0 no si no no Vdc/2
3 0 1 >0 no no no si -Vdc/2
4 0 1 <0 no no si no -Vdc/2
Inversores monofásicos
● Inversor Semipuente
Electrónica Industrial/Inversores 10
Valor rms de la tensión de salida:
Armónicas en la tensión de salida:
Componente fundamental de la tensión de salida (valor rms):
Distorsión armónica total THD:
/ 2 2
,
0
2
4 2
Tdc dc
ao rms
V Vv dt
T= =ò
1,3,5,...
2( ) sin( )dc
aon
Vv t n t
nw
p
¥
=
= å
, 1
20.45
2dc
ao f dc
Vv V
p= »
2 2
2 2 2, 1
/ 41 1 0.48 48%
0.45rms dc
rms f dc
V VTHD
V V= - = - » =
Inversores monofásicos
● Inversor Semipuente
Electrónica Industrial/Inversores 11
Inversor Puente H Circuito de potencia:
Es la conexión en paralelo de dos semipuentes.
La carga se conecta entre ambas piernas: los nodos a y b.
Los semiconductores de cada pierna son controlados con lógica inversa
Lo anterior evita cortocircuitar la fuente Vdc.
Sx1=S x 2 x∈{a , b}
Inversores monofásicos
Electrónica Industrial/Inversores 12
Inversor Puente H Estados de conducción: Sa1, Sb2 con corriente de carga positiva
Inversores monofásicos
Electrónica Industrial/Inversores 13
Inversor Puente H Estados de conducción: Sa1, Sb1 con corriente de carga positiva
Inversores monofásicos
Electrónica Industrial/Inversores 14
Inversor Puente H Estados de conducción: Sa1, Sb1 con corriente de carga positiva
Inversores monofásicos
Electrónica Industrial/Inversores 15
Inversor Puente H Estados de conducción: Sa2, Sb11 con corriente de carga positiva
Inversores monofásicos
Electrónica Industrial/Inversores 16
Inversor Puente H Estados de conducción: Sa2, Sb11 con corriente de carga negativa
Inversores monofásicos
Electrónica Industrial/Inversores 17
Inversor Puente H Estados de conducción: Sa1, Sb1 con corriente de carga negativa
Inversores monofásicos
Electrónica Industrial/Inversores 18
Inversor Puente H Estados de conducción: Sa1, Sb10 con corriente de carga negativa
Inversores monofásicos
Electrónica Industrial/Inversores 19
Inversor Puente H Estados de conducción: Sa1, Sb2 con corriente de carga negativa
Inversores monofásicos
Electrónica Industrial/Inversores 20
Inversor Puente H Estados de conducción: resumen
Estado Señal de control
Corriente Conduce Tensión de salida
Sa1 Sb1 ia Ta1 Da1 Ta2 Da2 Tb1 Db1 Tb2 Db2 vab
1 1 0 >0 si no no no no no si no Vdc
2 1 0 <0 no si no no no no no si Vdc
3 1 1 >0 si no no no no si no no 0
4 1 1 <0 no si no no si no no no 0
5 0 0 >0 no no no si no no si no 0
6 0 0 <0 no no si no no no no si 0
7 0 1 >0 no no no si no si no no -Vdc
8 0 1 <0 no no si no si no no no -Vdc
Inversores monofásicos
Electrónica Industrial/Inversores 21
Valor rms de la tensión de salida:
Componente fundamental de la tensión de salida (valor rms):
Distorsión armónica total THD:
Inversores monofásicos
● Inversor Semipuente
ángulo0 10 20 30 40 50 60 70 80 90
TH
D
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1.0
1.1
V dc √1−2 απ
4
√2V dc cos (α)
√ π2
8−cos2
(α)− α4π
Electrónica Industrial/Inversores 22
Inversores monofásicos
Modulacion PWM bipolar
Electrónica Industrial/Inversores 23
Índice de modulación: es la razón entre la amplitud
de la fundamental y la amplitud máxima de salida:
1
/ 2semipuentedc
VM
V=
Inversores monofásicos
● Modulacion PWM bipolar
Electrónica Industrial/Inversores 24
Modulacion PWM bipolar
1
carrierf
fm
f=
Inversores monofásicos
Electrónica Industrial/Inversores 25
1puente
dc
VM
V=
Inversores monofásicos
Modulacion PWM bipolar
Electrónica Industrial/Inversores 26
1
carrierf
fm
f=
Inversores monofásicos
Modulación PWM unipolar
Electrónica Industrial/Inversores 27
Inversores monofásicos
Modulación PWM unipolar
Electrónica Industrial/Inversores 28
Muestreo natural (Continuo)
Muestreo regular (discreto)
Inversores monofásicos
● Muestreo de modulación
Electrónica Industrial/Inversores 29
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.
Inversores trifásicos
Electrónica Industrial/Inversores 30
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.
Inversores trifásicos
Electrónica Industrial/Inversores 31
Inversor fuente de voltaje trifásico Voltajes de salida del inversor: operación con forma de onda cuadrada
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)
Vdc
a
Sa
N
P
+
b
Sb
c
Sc
Sa Sb Sc
van
n
vab
vaN
Inversores trifásicos
Electrónica Industrial/Inversores 32
( ) ( ) ( ) ( )2 1 1 1( ) sin sin 3 sin 5 sin 7 ...
4 3 5 7aN dc o o o ov t V t t t tp w w w w
pé ù= + + + + +ê úë û
( ) ( ) ( )6 6 6
2 3 1 1( ) sin sin 5 sin 7 ...
5 7ab dc o o ov t V t t tp p pw w wp
é ù= + + - + + +ê úë û
Inversor fuente de voltaje trifásico Armónicas en la tensión: operación con forma de onda cuadrada
La tensión línea-línea no tiene valor medio ni tercera armónica (ni otros múltiplos de tres)
Inversores trifásicos
Electrónica Industrial/Inversores 33
Valor rms de la tensión línea-línea de salida:
Armónicas en la tensión línea-línea de de salida:
Componente fundamental de la tensión de salida (valor rms):
Distorsión armónica total THD:
2 /32
,
0
2 20.8165
2 3ab rms dc dc dcv V d t V Vp
wp
= = »ò
( )1,5,7,...
2 3( ) sin / 6ab dc
n
v t V n tn
w pp
¥
=
= +å
, 1
2 30.7797
2ab f dc dcv V V
p= »
2 2
2 2 2, 1
2 / 31 1 0.3108 31%
0.7797rms dc
rms f dc
V VTHD
V V= - = - » =
Operación con forma de onda cuadrada
Inversores trifásicos
Electrónica Industrial/Inversores 34
Modulación PWM bipolar: formas de onda
Inversor fuente de voltaje trifásico
vab=vaN -vbN
La tensión fase neutro carga tiene5 niveles (ahora incluye el cero)
Inversores trifásicos
Electrónica Industrial/Inversores 35
Modulación PWM bipolar: diagrama de control
Inversor fuente de voltaje trifásico
Inversores trifásicos
Electrónica Industrial/Inversores 36
Modulación PWM bipolar: espectros Inversor fuente de voltaje trifásico
1
carrierf
fm
f=
vab=vaN -vbN
Se eliminan todas las armónicas menores que mf - 2
Las armónicas se centran entorno a mf y sus múltiplos 2mf , 3mf , etc.
El análisis es valido sólo si mf 9 y si es múltiplo de 3.
Inversores trifásicos
Electrónica Industrial/Inversores 37
Modulación PWM bipolar: armónicas tensión línea-línea
Inversor fuente de voltaje trifásico
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.
Inversores trifásicos
Electrónica Industrial/Inversores 38
Sobre-modulación: ejemplo PWM bipolar en inversor trifásico
Aspectos tecnológicos
Ocurre sobre-modulación cuando
el índice de modulación:
Otra forma de notarlo 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
menor frecuencia. La fundamental también no es del
valor deseado.
1 1carrier
VM
V= >
Sobremodulación
Electrónica Industrial/Inversores 39
Sobremodulación
Inyección de tercera armónica
0.5
Vol
taje
de
salid
a
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1.0
1.1
1.2
1.3
Indice de modulacion0.6 0.7 0.8 0.9 1 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5
-1
0
1
-2
0
2
-2
0
2
0
0.5
1
angle
harmonics
0 50 100 150 200 250 300 350
0 50 100 150 200 250 300 350
0 50 100 150 200 250 300 350
0 5 10 15 20 25 30
Electrónica Industrial/Inversores 40
Modulacion
Eliminación selectiva de armónicas
Electrónica Industrial/Inversores 41
Modulación
Modulación por histéresis (modo corriente)
Electrónica Industrial/Inversores 42
Electrónica Industrial/Inversores 43
Pérdidas por conmutación: análisis de un pierna de inversor Aspectos tecnológicos
Apagado de S1
Encendido de S1
a) Con corriente positiva:
Encendido de S1 Apagado de S1
Pérdidas conmutación
ic
icic
vCE vCE
vCE
Off On Off
Corriente negativa producida por el diodo de S2
(Reverse recovery)
Potencia no transmitida a la cargaPérdidas conducción
Pérdidas por conmutación
Electrónica Industrial/Inversores 44
Definición y cálculo del THD
2
0
1( ) (1)
T
rmsv v t dtT
= ò
Partiendo del valor rms de una señal:
Reemplazando en (1) la serie de Fourier de: 0 1 1 2 2 3 3( ) cos cos cos ...v t V V t V t V tw w w= + + + +
1 10 00
1cos( )cos( ) (2)
T
rms n kn k
v V V n t k t dtT
w w¥ ¥
= =
= ååò Al expandir la integral, los términos con múltiplos entre nk se anulan
22 2 2
1 0 10 10 0
1 1cos ( ) (1 cos2 ) (3)
2
T Tn
rms nn n
Vv V n t dt v n t dt
T Tw w
¥ ¥
= =
é ù= = + +ê ú
ë ûå åò ò
Los términos de doble frecuencia se integran a cero
220
1
(4)2n
rmsn
Vv V
¥
=
= +å Considerando el valor rms de cada armónica en (4), queda
2 20 ,
1
(5)rms n rmsn
v V V¥
=
= +å
Total Harmonic Distorsion
Electrónica Industrial/Inversores 45
Definición y cálculo del THD
volver
2
2, 1
1 (9)rms
rms f
VTHD
V= -
Sacando la fundamental de la raíz
2 20 ,
1rms n rms
n
v V V¥
=
= +å22,0
1, 2 221, 1,
1 (6)n rmsrms rms
nrms rms
VVv V
V V
¥
=
= + +å Definiendo THD como la parte rms de la señal sin incluir la fundamental se tiene:
22,0
2 221, 1,
(7)n rms
nrms rms
VVTHD
V V
¥
=
= +å
Otra forma es considerar V0=0, y los valores peak en lugar de rms en (7):
2
22 1
(10)n
n
VTHD
V
¥
=
= å
Reemplazando (7) en (6).
1, 1 (8)rms rmsv V THD= +
Reemplazando THD en (8):
Dos formas de calcular
2
Total Harmonic Distorsion