ELECTRONICA INDUSTRIAL Capítulo 5: Inversoresprofesores.elo.utfsm.cl/~mpl/.../elo381_capitulo_05_inversores_v1.pdf · Inversor Puente H

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.)


Introducción


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


Estados de conducción: S1=1 con corriente de carga positiva




Estados de conducción: S2=1 con corriente de carga positiva




Estados de conducción: S2=1 con corriente de carga negativa




Estados de conducción: S1=1 con corriente de carga negativa

Inversores monofásicos● Inversor Semipuente


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




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= - = - » =




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}



Inversor Puente H Estados de conducción: Sa1, Sb2 con corriente de carga positiva












Inversor Puente H Estados de conducción: Sa2, Sb11 con corriente de carga negativa












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



Valor rms de la tensión de salida:





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



Modulacion PWM bipolar


Índice de modulación: es la razón entre la amplitud

de la fundamental y la amplitud máxima de salida:

1

/ 2semipuentedc

VM

V=


● Modulacion PWM bipolar



1

carrierf

fm

f=



1puente

dc

VM

V=




1

carrierf

fm

f=


Modulación PWM unipolar



Modulación PWM unipolar


Muestreo natural (Continuo)

Muestreo regular (discreto)


● Muestreo de modulación


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


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.



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



( ) ( ) ( ) ( )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)



Valor rms de la tensión línea-línea de salida:

Armónicas en la tensión línea-línea de de salida:



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



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)



Modulación PWM bipolar: diagrama de control




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.



Modulación PWM bipolar: armónicas tensión línea-línea


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.



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


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


Modulacion

Eliminación selectiva de armónicas


Modulación

Modulación por histéresis (modo corriente)



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


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


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

Documents

ELECTRONICA INDUSTRIAL Capítulo 5: Inversoresprofesores.elo.utfsm.cl/~mpl/.../elo381_capitulo_05_inversores_v1.pdf · Inversor Puente H