Inversor monofasico ( teoria)

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    26-Jul-2015

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<p>UNIVERSIDAD DE OVIEDO</p> <p>LECCION DE OPOSICION</p> <p>INVERSORES PWMpresentada por Juan Daz Gonzlez</p> <p>para optar a la plaza de</p> <p>PROFESOR TITULAR DE UNIVERSIDAD</p> <p>En el rea de conocimiento de TECNOLOGIA ELECTRONICA</p> <p>Concurso convocado por Resolucin del 26 de Febrero de 1998 de la Universidad de Oviedo (B.O.E. 25/03/98)Gijn, Mayo de 1999</p> <p>MOTIIIVACIIION Y OBJJJETIIIVOS MOT V AC O N Y OB E T V OS MOT VAC ON Y OB ET VOS</p> <p>MOTIVACIN Y OBJETIVOS DE LA LECCINHe seleccionado esta leccin se corresponde con la leccin nmero 28 del temario de Electrnica de Potencia de duracin dos horas; la parte que se presentar en esta leccin es la correspondiente a la primera de la misma y es de una hora de duracin; su temario especfico se presenta en la pgina siguiente. El objetivo inicial de esta leccin consiste en familiarizar al alumno con el control de inversores en modo PWM, e insistir en la necesidad de herramientas matemticas y programas de simulacin para el estudio de la Electrnica de Potencia. Es por esta razn por la que se han incluido un fichero MATHCAD y las simulaciones se han realizado con el programa PSPICE. En el anexo 2, se realiza el clculo matemtico de los filtros en forma normalizada, aspecto que considero fundamental en el anlisis de las topologas de potencia. En conjunto, resulta un tema muy apropiado para aplicar las herramientas software necesarias para la Electrnica de Potencia, a la vez que se estudia una topologa de indudable inters.</p> <p>i</p> <p>IINTRODUCCIIIN IN TRODUCC N NTRODUCC N</p> <p>1. INTRODUCCIN: UBICACIN EN LA ELECTRNICA DE POTENCIA</p> <p>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.Continua Alterna</p> <p>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 1Figura 1: convertidores alterna Los inversores: de continua a</p> <p>IINTRODUCCIIIN IN TRODUCC N NTRODUCC N</p> <p>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.</p> <p>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 deFoto 2. Ruedas dentadas conforman un reductor. que Foto 1 Aspecto de un reductor mecnico de ejes paralelos</p> <p>motores, lo constituyen los vehculos impulsados de forma elctrica: trenes, 2</p> <p>IINTRODUCCIIIN IN TRODUCC N NTRODUCC N</p> <p>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 falle, se el suministro obtenga la elctrico</p> <p>alimentacin de los equipos conectados a la red sin que el usuario advierta la falta de fluido elctrico. Por supuesto que el SAI no es un sistema para funcionar durante un tiempo excesivo,Foto 3: Inversor comercial.</p> <p>(el tiempo de funcionamiento de un SAI depende obviamente de la potencia que entregue), pero si se piensa en su instalacin en salas con equipos informticos, se advierte que no es necesario que est funcionando durante un tiempo excesivo, justo para poder cerrar las mquinas de forma segura y no perder datos ni configuraciones de las mismas; tambin encuentran su aplicacin en el campo de centrales telefnicas, sistemas de control, etc. Existen diversas configuraciones de los SAI (offline, on-line, etc), dependiendo de la aplicacin que se precise, as como un amplio rango de potencias y tiempos de funcionamiento que lgicamente definen la aplicacin. El tamao de estos equipos vieneFoto 4: Aspecto externo de un SAI</p> <p>3</p> <p>IINTRODUCCIIIN IN TRODUCC N NTRODUCC N</p> <p>en gran medida fijado por las bateras; el tamao de estas a su vez viene fijado por la potencia a suministrar y por el tiempo de funcionamiento del mismo. Las prestaciones de este tipo de equipos incluyen supresores de transitorios, todo tipo de protecciones y sealizaciones e incluyen sistemas de comunicaciones, con el objeto de supervisar/controlar las funciones del mismo y recabar distintas informaciones del mismo. Las aplicaciones de los inversores no se reducen de forma exclusiva a las mencionadas anteriormente; lgicamente, existen multitud de aplicaciones ms, como por ejemplo, balastos electrnicos, caldeo por induccin, etc.</p> <p>2. CLASIFICACIN DE LOS INVERSORESSon 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 autoexcitados 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. 4</p> <p>IINTRODUCCIIIN IN TRODUCC N NTRODUCC N</p> <p>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, etc. En esta leccin nos centraremos en los inversores con transistores, monofsicos, con y sin transformador de aislamiento, alimentados en tensin y tipo de control PWM de alta frecuencia; posteriormente, se realizar la extensin para el caso de etapa de salida trifsica. En el esquema de la pgina siguiente, se puede observar un resumen de algunas de las posibles clasificaciones citadas anteriormente.</p> <p>5</p> <p>IINTRODUCCIIIN IN TRODUCC N NTRODUCC N</p> <p>Apagado Natural Tiristores Dispositivo semiconductor Transistores Apagado forzado Autoexcitados Excitacin independiente F.I.T. F.I.I. PWM Desplazamiento de fase Onda cuadrada Medio puente Caractersticas de salida Puente completo Push-pull Monofsico Trifsico</p> <p>Alimentados en tensin Caractersticas de entrada Alimentados en corriente</p> <p>Con y sin transformador de aislamiento.</p> <p>6</p> <p>CONCEPTOS BASIIICOS CONCEPTOS BAS C OS CONCEPTOS BAS COS</p> <p>3. CONCEPTOS BASICOSEn este apartado se considerar una sola rama del inversor, formada por dos interruptores, tal y como se muestra en la figura 3.1. Se tomar la tensin de entrada constante, de valor Ve; se supondr durante el desarrollo del tema a no ser que se especifique lo contrario los interruptores ideales y con un diodo en antiparalelo, de forma y manera que la corriente pueda retornar a la fuente de entrada, siendo estos diodos completamente ideales en su comportamiento. Segn se advierte, existirn momentos en los que el inversor estar devolviendo energa a la red de entrada, comportndose en este caso como un rectificador. Esta situacin se corresponde, por ejemplo, con el frenado de un motor, en el que la energa cintica se transforma en energa elctrica y se devuelve a la red de</p> <p>Ve/2 Ve</p> <p>T+ A TN</p> <p>0 Ve/2</p> <p>Figura 3.1 Rama de un inversor</p> <p>entrada. 7</p> <p>CONCEPTOS BASIIICOS CONCEPTOS BAS C OS CONCEPTOS BAS COS</p> <p>En la figura se ha considerado que se divide</p> <p>la</p> <p>tensin de entrada por medio de dos condensadores de igual valor y muy elevado para la frecuencia de trabajo, de forma que se puede considerar constante en todo momento y de valor mitad de la tensin de entrada.</p> <p>3.1 Modulacin de ancho de impulso. Como su nombre indica, esta tcnica consiste en generar pulsos de frecuencia determinada y hacer variar el ciclo de trabajo de los mismos (duty cycle) Para el caso de convertidores CC/CC, se obtiene dicha forma de onda mediante la comparacin de una seal triangular de frecuencia fija con un nivel de tensin continua; dicho nivel de continua aporta la informacin de la referencia a conseguir (ver figura 3.1.1).Triangular</p> <p>Referencia (moduladora)</p> <p>PWM Modulada</p> <p>PWM Filtrada</p> <p>Figura 3.1.1 Algunas de las formas posibles para generar una seal PWM</p> <p>8</p> <p>CONCEPTOS BASIIICOS CONCEPTOS BAS C OS CONCEPTOS BAS COS</p> <p>Esta tensin PWM si se filtrase, se obtendra un valor medio proporcional a la referencia onda moduladora- ya que el ancho de pulso de la misma es proporcional a la misma y para este tipo de forma de onda cuadrada y de amplitud constante- el valor medio depende slo del ciclo de trabajo: este es el principio de la modulacin de ancho de pulso y del funcionamiento de los convertidores CC/CC conmutados PWM. Si ahora planteamos una referencia de tipo senoidal, cuya frecuencia sea notablemente menor que la de la triangular portadora-, la tensin que obtendremos, una vez filtrada la onda modulada, ser tambin senoidal, con mayor o menor contenido en armnicos de alta frecuencia; en la figura 3.1.2 se puede observar un ejemplo de una onda PWM con referencia senoidal y su espectro en frecuencia.</p> <p>Figura 3.1.2 Aspecto de una seal PWM con referencia senoidal</p> <p>9</p> <p>CONCEPTOS BASIIICOS CONCEPTOS BAS C OS CONCEPTOS BAS COS</p> <p>Figura 3.1.3 Espectro de frecuencias de la seal anterior.</p> <p>Por tanto, para obtener una forma de onda senoidal basta con aplicar la forma de onda resultante de la comparacin de una onda triangular con una senoidal y filtrar adecuadamente. Para el caso de los inversores de potencia, se aprovecha la seal resultante de dicha comparacin para excitar los transistores que forman la topologa, de forma que en los instantes en que la seal resultante de la comparacin esta en estado alto, el interruptor T+ esta cerrado, y cuando esta es negativa, es T- el que est saturado. De esta forma, se obtiene una tensin con el aspecto indicado en las figuras anteriores a partir de la tensin continua de entrada: Ve 2 Ve 2</p> <p>Vsen &gt; Vtri T + saturado Vs =</p> <p>3. 1</p> <p>Vsen &lt; Vtri T saturado Vs = 10</p> <p>3. 2</p> <p>CONCEPTOS BASIIICOS CONCEPTOS BAS C OS CONCEPTOS BAS COS</p> <p>Como se puede observar, los interruptores nunca estn simultneamente en estado saturado. Con el objeto de realizar un estudio de la manera ms global posible, normalizaremos los valores de las frecuencias y de las amplitudes de las seales que intervienen; as, se define la modulacin de amplitud como la relacin de amplitudes de la seal senoidal y de la triangular (moduladora y portadora) : ma = Vsen Vtri3. 3</p> <p>Adems, definimos la modulacin de frecuencia como la relacin entre las frecuencias de la seal triangular y la seal senoidal: ftri fsin</p> <p>mf =</p> <p>3. 4</p> <p>Con estos parmetros, se pueden establecer algunas reglas acerca de la tensin de salida, sus armnicos, etc. 1.- La amplitud del armnico fundamental de la tensin de salida es ma veces la tensin de entrada mitad; este hecho se puede explicar con ayuda de la figura 3.1.4: T Ve 2</p> <p>Toff</p> <p>Figura 3.1.4 Detalle de la tensin modulada en un ciclo</p> <p>11</p> <p>CONCEPTOS BASIIICOS CONCEPTOS BAS C OS CONCEPTOS BAS COS</p> <p>Si se supone que la frecuencia de la seal triangular es lo suficientemente mayor que la frecuencia de la senoidal (mf es elevado), se puede considerar sin error apreciable que la tensin de salida modulada es constante en cada ciclo, siendo su valor en estado alto Ve/2 y cuando est en estado bajo Ve/2; en estas condiciones, se puede establecer el valor medio de la tensin de salida: Vs = Ve Ton Toff Ve Ton Toff 2 T T 2 T 3. 5</p> <p>y se demuestra, para un ciclo, que: Ton Toff V sen = = ma T Vtri3. 6</p> <p>Por lo tanto, si se asume que la amplitud de la onda portadora es constante e inferior a la amplitud de la onda referencia (es decir ma &lt; 1), el nico trmino variable de un ciclo a otro es la amplitud de la onda moduladora, la cual sigue una ley senoidal, con lo que se puede reescribir la frmula inicial de manera que el valor del primer armnico de la tensin de salida toma como valor:</p> <p>Van1 =</p> <p>V sen Ve Ve sen(t ) ma sen(t ) Vtri 2 2</p> <p>3. 7</p> <p>Siendo w la pulsacin de la onda senoidal de referencia, con lo cual se puede decir que la amplitud del primer armnico de salida es ma veces la amplitud mitad de la tensin de entrada. 2.- Los armnicos de la tensin de salida aparecen como bandas laterales de la frecuencia de conmutacin y sus mltiplos; este aspecto es vlido...</p>