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• Frank Galvan

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INDICE INTRODUCCION.......................................................................2 I. OBJETIVOS........................................................................ 3 II. CONTENIDO.....................................................................4 III.

INVERSORES MONOFASICOS..........................................7

1. INVERSORES NO MODULADOS.......................................7 2. INVERSORES MODULADOS............................................8 IV.

INVERSORES MONOFASICOS........................................11

4.1. INVERSOR MEDIO PUENTE...........................................11 4.2. INVERSOR EN PUENTE COMPLETO...............................14 4.3. INVERSOR BIPOLAR.....................................................16 V. CONCLUSIONES..............................................................20 VI.

BIBLIOGRAFIA..............................................................21

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INTRODUCCION En la electrónica de potencia ha evolucionado de manera acelerada en los últimos 20 años. El desarrollo de elementos semiconductores de potencia ha propiciado que se puedan realizar conversiones de energía 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 electrónica de potencia ya es una materia básica en las carreras de licenciatura con enfoque en la electrónica. Así, los diferentes métodos de conversión de energía CA-CD, CD-CD, CA-CA, CD-CA son analizados y estudiados.

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I. OBJETIVOS Conocer

sin los inversores son circuitos de tienen como finalidad suministrar tensión 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 posición de las máquinas de corriente alterna, la fabricación de fuentes interrumpidas de potencia (UPS) para cargas trifásicas y dispositivos de corriente alterna que funciones a partir de una batería.

Determinar la modulación del PWM

Explicar

EL PWM proporciona un método para disminuir el factor de distorsión armónica THDF en la corriente que suministra el inversor a la carga.

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II. CONTENIDO La función de un inversor es cambiar un voltaje de entrada de corriente continua a un voltaje simétrico de salida de corriente alterna, con la magnitud y frecuencia deseada por el usuario o el diseñador. Los inversores se utilizan en una gran variedad de aplicaciones, desde pequeñas fuentes de alimentación para computadoras, hasta aplicaciones industriales para controlar alta potencia. Los inversores también se utilizan para convertir la corriente continua generada por los paneles solares fotovoltaicos, acumuladores o baterías, etc, en corriente alterna y de esta manera poder ser inyectados en la red eléctrica o usados en instalaciones eléctricas 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, haciéndola parecer un poco más una onda senoidal y produciendo el voltaje de salida necesario. Las formas de onda de salida del voltaje de un inversor ideal debería ser sinusoidal. Una buena técnica para lograr esto es utilizar la técnica de PWM logrando que la componente principal senoidal sea mucho más grande que las armónicas superiores. Los inversores más avanzados utilizan la modulación por ancho de pulsos con una frecuencia portadora mucho más alta para aproximarse más a la onda seno o modulaciones por vectores de espacio mejorando la distorsión armónica de salida. También se puede predistorsionar la onda para mejorar el factor de potencia (cos Φ). La modulación por ancho de pulsos (también conocida como PWM) De una señal o fuente de energía es una técnica en la que se modifica el ciclo de trabajo de una señal periódica (una senoidal o una cuadrada, por ejemplo), ya sea para transmitir información a través de un canal de comunicaciones o para controlar la cantidad de energía que se envía a una carga. Los inversores se ubican en la electrónica de potencia en el campo de la conversión energética, en concreto en la conversión continua – alterna (DC/AC). La evolución que han experimentado los semiconductores, en términos de frecuencia de conmutación, pérdidas en conducción y facilidad de gobierno ha contribuido en gran

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medida a la popularización de este tipo de convertidores y de su evolución. 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 línea de baja potencia, en la cual se prima la miniaturización), objetivo que pasa por la optimización de los dispositivos semiconductores empleados; por otro lado, el auge experimentado en el campo de la electrónica digital, ha permitido que los procesadores estén al alcance de los diseñadores a muy bajo coste y con potentes herramientas de depuración 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 inducción. De hecho, los inversores han venido a sustituir los tradicionales reductores mecánicos en el campo del control de motores, con indudables ventajas con respecto a estos: mejor rendimiento, ausencia de elementos mecánicos de desgaste, vibraciones, mayor versatilidad en el control, etc.

Este aspecto cobra especial importancia al tratar de motores trifásicos asíncronos con rotor con jaula de ardilla, los cuales presentan indudables ventajas, como son:  La ausencia del colector y escobillas de carbón facilitan de forma notable el mantenimiento de los mismos, además de una prolongación de su vida media.  No producen chispas, por lo que no generan parásitos.  Cuentan con un par de arranque y máximo de valores elevados.

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 Soportan sobrecargas típicas sin demasiados problemas.  Tienen unas dimensiones realmente compactas. El precio que hay que pagar por estas buenas características es quizás que la velocidad de estos motores depende de características constructivas (número de pares de polos) y de la frecuencia de la tensión de alimentación (50 Hz típica), lo cual obliga al empleo de reductores mecánicos, 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 tensión alterna obtenida así como su amplitud. En estas condiciones, se pueden gobernar la velocidad de rotación, par e incluso frenar e invertir el sentido de giro sin mayores problemas y de una forma precisa. Como ejemplo típico de aplicación de control de velocidad de motores, lo constituyen los vehículos impulsados de forma eléctrica: trenes carretillas industriales, etc. Los sistemas de alimentación ininterrumpida (SAI) son otros de las sistemas que emplean inversores como topología utilizada en la etapa de potencia: en este caso la aplicación es más clara si cabe ya que el funcionamiento básico de estos equipos consiste en almacenar energía eléctrica en baterías o acumuladores, para que, cuando el suministro eléctrico falle, se obtenga la alimentación de los equipos conectados a la red sin que el usuario advierta la falta de fluido eléctrico. Son muchos los puntos de vista desde los cuales se pueden clasificar los circuitos inversores; en esta lección nos centraremos en los inversores realizados con dispositivos semiconductores, dejando de lado los realizados por medio de elementos vibradores electromecánicos. En este sentido, una posible clasificación que se puede realizar de los inversores según 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 tensión o de corriente); los segundos es posible a su vez subdividirlos en auto excitado o con excitación independiente. Es posible establecer otra clasificación en función de las características de salida – configuraciones en medio puente, puente completo monofásico y puente completo trifásico- o en sus características de entrada: inversor alimentado en tensión o en corriente, según de que tipo sea la fuente primaria de entrada. La inclusión o no de un

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transformador de aislamiento introduce una característica más a la hora de clasificar este tipo de convertidores. Para el caso de los inversores con transistores, se puede establecer otra clasificación basándose en el método de excitación de la base de los transistores que configuran la topología 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 conversión de energía DC a AC. Con la técnica del PWM.

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III. INVERSORES MONOFASICOS Los convertidores de cd/ca se conocen como inversores. La función de un inversor es cambiar un voltaje de entrada en cd a un voltaje simétrico 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 varía la ganancia del inversor: esto por lo general se hace controlando la modulación del ancho de pulso (PWM) dentro del inversor. La ganancia del inversor se puede definir como la relación entre el voltaje de salida en ca y el voltaje de entrada en cd.

1. INVERSORES NO MODULADOS Los inversores no modulados, fueron estudiados diferentes topologías que permitían realizar la conversión CC/CA de una forma sencilla. Estos circuitos permitieron mostrar el funcionamiento de un circuito en medio puente o en puente completo, la circulación de la corriente reactiva a través de los diodos en anti paralelo con los interruptores, el contenido armónico de las señales utilizadas, el filtrado y finalmente la regulación de tensión. Los sistemas no modulados, aunque son muy sencillos de implementar, tienen un gran número de desventajas:  La tensión obtenida presenta una distorsión 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 utilización de los inversores no modulados en aplicaciones tales como la variación de velocidad de motores asíncronos, donde las tensiones no senoidales producen vibraciones en los motores y el rango de variación de las frecuencias ( 10 a 400Hz) dificulta la utilización de filtros.

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Una señal no modulada presenta armónicos muy próximos a la fundamental, por lo que requiere filtros con frecuencias de corte muy bajas. Estos filtros pueden llegar a atenuar no solo los armónicos sino también la fundamental obligando al inversor a trabajar con tensiones elevadas. En el caso anterior (un variador de frecuencia para un motor) sería necesario utilizar un filtro próximo a 10 Hz para obtener una tensión con baja distorsión en las frecuencias más bajas de funcionamiento. El filtro utilizado imposibilitaría el funcionamiento a 400Hz ya que el filtro atenuaría la tensión del inversor en más de 40dB (suponiendo un filtro de segundo orden). Para evitar el problema descrito en el párrafo anterior sería muy interesante obtener una señal donde los armónicos y la fundamental estuvieran muy separados. Así, se obtendría una doble mejora. Por una parte se reduce el tamaño del filtro y por otra se evita que influya sobre la fundamental. Estas ventajas pueden conseguirse utilizando el control de tensión mediante modulación de ancho de pulso (PWM, Pulse Width Modulation).

2. INVERSORES MODULADOS MODULACION En un convertidor reductor se controlaba la apertura y cierre de un interruptor de manera que la tensión aplicada a un filtro tuviera como valor medio el deseado. Estas secuencias de disparo se obtenían mediante la intersección de una señal en diente de sierra con una señal denominada de control que fijaba el valor del ciclo de trabajo utilizado y por tanto de la tensión a la salida.

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Fig.1 Modulación

MODULACION SENOIDAL-TRIANGULAR Como ya se ha mencionado, el concepto de modulación fue utilizado en los convertidores CC/CC. Sin embargo, aplicar esos conocimientos a los inversores es un poco más complejo ya que se trata de obtener tensiones alternas. Para obtener las tensiones necesarias se utilizará una señal de control senoidal que será comparada con una señal triangular. La señal triangular fija la frecuencia de conmutación 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 intersección de una señal triangular (VTriangular) y una señal senoidal (Vcontrol). Cuando la tensión de control es mayor que la tensión de la triangular se cerrará el interruptor T A+, de igual forma cuando la tensión triangular supere a la de control se cerrará el interruptor T A-. Dada la disposición de los interruptores funcionarán complementariamente. ¡Si cerramos los dos interruptores a la vez se producirá un cortocircuito!.

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Fig.2 Inversor Medio Puente

La señal triangular tiene un valor de pico VTP y una frecuencia fT (señal portadora). La señal de control tendrá un valor de pico VCP y una frecuencia fC (señal moduladora). La relación entre la tensión la tensión de pico de la señal de control y la triangular es conocida como índice de modulación en amplitud.

m a=

V CP V TP

La relación entre las frecuencias también será un parámetro muy importante en la clasificación de los sistemas modulados. Se conocerá como índice de modulación en frecuencia.

mf =

ft fc

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

IV. INVERSORES MONOFASICOS IV.1. INVERSOR MEDIO PUENTE Como se ha comentado con anterioridad, esta será la topología base que será utilizada para la deducción del funcionamiento de los demás convertidores modulados. La Fig. 6 muestra un inversor en medio puente con modulación “PWM”. Para obtener una alimentación con un punto medio se han utilizado dos fuentes de tensión continua. Sin embargo, en la mayor parte de las aplicaciones se utilizarán dos condensadores iguales. El tamaño de estos condensadores deberá ser lo suficientemente grande para que la tensión a través de ellos pueda considerarse constante. La tensión obtenida en los terminales VA0 variará entre VD/2 y – VD/2 con una secuencia que dependerá de la señal de control y la señal triangular. Los resultados mostrados en la figura4 han sido obtenidos con un índice de modulación en amplitud de “0,8” y un índice de modulación en frecuencia “15”. Como puede comprobarse en esa misma figura, los armónicos de VA0 aparecen en las cercanías de la frecuencia de la señal triangular. Además dada la simetría de la tensión solo tiene armónicos impares. El valor de la

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fundamental podrá calcularse mediante la expresión ya deducida. Si la frecuencia de corte del filtro ha sido seleccionada adecuadamente, la tensión aplicada a la carga será muy similar a la fundamental mostrada en la figura4. Los interruptores utilizados en el medio puente soportan una tensión 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 párrafos anteriores son correctos siempre y cuando ma