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CAPITULO VIICAPITULO VIITEORIA DE LOS INVERSORES TEORIA DE LOS INVERSORES
DE TENSIONDE TENSION
IntroducciónIntroducciónLos inversores de tensión son Los inversores de tensión son conversoresconversores estáticos, destinados estáticos, destinados a controlar el flujo de energía eléctrica entre una fuente de a controlar el flujo de energía eléctrica entre una fuente de tensión continua tensión continua y una fuente de y una fuente de corriente alternacorriente alterna, , monofasicamonofasica o o polifásica con control de los niveles de tensión y de la frecuencia polifásica con control de los niveles de tensión y de la frecuencia dependiendo de la aplicación.dependiendo de la aplicación.
Las principales aplicaciones de los inversores de tensión son:Las principales aplicaciones de los inversores de tensión son:
--Accionamiento de maquinas eléctricas de corriente alternaAccionamiento de maquinas eléctricas de corriente alterna--Calentamiento inductivoCalentamiento inductivo--Sistemas de alimentación ininterrumpidaSistemas de alimentación ininterrumpida--Transmisión de energía en corriente continúaTransmisión de energía en corriente continúa--Fuentes de respaldo y poderFuentes de respaldo y poder--Instalaciones de energía solar voltaicaInstalaciones de energía solar voltaica--Reactores Reactores electronicoselectronicos para para lamparaslamparas de descargade descarga--etc.etc.
CLASIFICACION:CLASIFICACION:
Los inversores de tensión se clasifican en:Los inversores de tensión se clasifican en: Inversores monofasicosInversores monofasicos Inversores trifásicosInversores trifásicosSegún el funcionamiento se clasifican enSegún el funcionamiento se clasifican en Autónomos (no están conectados a ninguna fuente de Autónomos (no están conectados a ninguna fuente de
corriente alterna)corriente alterna) No autónomos (conectados a la red eléctrica).No autónomos (conectados a la red eléctrica).
Símbolo del inversor autónomo.
Inversores monofasicosInversores monofasicos a )Inversor monofasico en puentea )Inversor monofasico en puenteLa estructura del inversor esta representado en la figura 7.1, los La estructura del inversor esta representado en la figura 7.1, los
interruptores son comandados en el cierre y en la apertura.interruptores son comandados en el cierre y en la apertura.
a.1) Carga resistivaa.1) Carga resistiva
Figura 7.1 Estructura del inversor puente
Cuando Q1 y Q2, conducen, la tensión de Cuando Q1 y Q2, conducen, la tensión de carga es igual a E, y cuando Q3 y Q4 carga es igual a E, y cuando Q3 y Q4 conducen ella es igual a conducen ella es igual a ––E.E.
Figura 7.2 Formas de ondas de tensión y corriente
El voltaje eficaz en la carga:
T
oeff dtET
V0
21
Entonces:
EVoeff La tensión en series de Fourier sera:
,..5,3,1
)(4n
AB nwtsenn
EV
El valor eficaz para la fundamental será:
24
1EV effAB
Distorsión total armónica (THD).Distorsión total armónica (THD).--Es una medida de la similitud entre la forma de onda y su componente fundamental
effAB
n
VV
THD1
2/12
En función de los voltajes:
effAB
effABoeff
VVV
THD1
122
Factor Armónico de la enésima componente
lfundamentacompeficazValorarmonicacompenesimaeficazValor
VV
HeffAB
nFn ...
....
1
Es una medida de la contribución armónica individual definida por:
Carga inductivaCarga inductiva
Figura 7.3 Estructura Inversor con carga RL
En caso de carga inductiva es necesario adicionar en paralelo con la carga diodos de rueda libre (D1,D2,D3 y D4).
Etapas de funcionamientoEtapas de funcionamientoEste inversor tiene cuatro etapas de funcionamientoEste inversor tiene cuatro etapas de funcionamiento
S1 y S4 en conducciónS1 y S4 en conducciónS2 y S3 en corteS2 y S3 en corte→→ Vc=E, D1 y D4 en corteVc=E, D1 y D4 en corte
S1 y S4 en corteS1 y S4 en corteS2 y S3 en conducciónS2 y S3 en conducción→→ Vc = Vc = --E, D2 y D3 en conducciónE, D2 y D3 en conducción
S1 y S4 en corteS1 y S4 en corteS2 y S3 en conducciónS2 y S3 en conducción→→ Vc = Vc = --E, D2 y D3 en corteE, D2 y D3 en corte
S1 y S4 en conducciónS1 y S4 en conducciónS2 y S3 en corte, Vc = E, D1 y D4 en conducciónS2 y S3 en corte, Vc = E, D1 y D4 en conducción
Como la carga es inductiva la corriente debe continuar Como la carga es inductiva la corriente debe continuar circulando en el mismo sentido, para que esto ocurra D2, D3 circulando en el mismo sentido, para que esto ocurra D2, D3 conducen hasta que la corriente sea cero, cuando la conducen hasta que la corriente sea cero, cuando la corriente se anula entonces se invierte la polaridad de la corriente se anula entonces se invierte la polaridad de la tensión en la carga y la corriente circula por S2 y S3. Para tensión en la carga y la corriente circula por S2 y S3. Para que el circuito funcione correctamente es necesario que la que el circuito funcione correctamente es necesario que la fuente E sea reversible en corriente.fuente E sea reversible en corriente.
Figura 7.4 Formas de ondas de tensión y corriente
Inversor con punto medioInversor con punto medio
Figura 7.5 Inversor con punto medio
Figura 7.6 Formas de onda
Inversor Push Inversor Push –– PullPull
Este circuito es uno de los primeros Este circuito es uno de los primeros empleados industrialmente, se adapta a empleados industrialmente, se adapta a bajas frecuencias y bajas potencias, bajas frecuencias y bajas potencias, presenta las siguientes características:presenta las siguientes características:
Emplea un transformador con punto medioEmplea un transformador con punto medio Emplea una fuente de corriente continuaEmplea una fuente de corriente continua Emplea dos InterruptoresEmplea dos Interruptores La carga esta aislada de la fuenteLa carga esta aislada de la fuente
Carga resistivaCarga resistiva
Figura 7. 8 Formas de ondas tensión y corriente
Figura 7. 7 Inversor Push Pull carga resistiva
Carga inductivaCarga inductiva
Figura 7.9 Inversor Push Pull carga RL
Figura 7.10 Formas de ondas de tensión y corriente
Inversores trifásicosInversores trifásicosEstos Estos conversoresconversores se utilizan en se utilizan en
aplicaciones de alta potencia, con la aplicaciones de alta potencia, con la característica de que los secundarios de característica de que los secundarios de los transformadores se conectan los transformadores se conectan normalmente en estrella para de esta normalmente en estrella para de esta forma eliminar los armónicos de orden 3 forma eliminar los armónicos de orden 3 (n=3, 6,9…), de la tensión de salida.(n=3, 6,9…), de la tensión de salida.Se tiene dos modos diferentes de Se tiene dos modos diferentes de
operación:operación: Conducción de dos interruptores Conducción de dos interruptores ( conducción a 120( conducción a 120°°)) Conducción de tres interruptores Conducción de tres interruptores ( conducción a 180( conducción a 180°°))
Pueden alcanzar frecuencias de hasta Pueden alcanzar frecuencias de hasta 50 50 KhzKhz, y en , y en monofasicosmonofasicos hasta 500 hasta 500 Khz.Khz.
Conducción de dos interruptoresConducción de dos interruptoresEn cada instante existen dos interruptores en conducción, uno En cada instante existen dos interruptores en conducción, uno en el brazo positivo y el otro en el brazo negativo, cada en el brazo positivo y el otro en el brazo negativo, cada interruptor es habilitado durante 120interruptor es habilitado durante 120°°..
a) Carga en estrella
Secuencia de disparo S1S5, S1S6, S6S2, S2S4, S4S3, S3S5
Tensiones de fase
Para la tensión de línea:
EEEVVV BNANAB
22
b) Carga conectada en triangulob) Carga conectada en trianguloSecuencia de disparo de los interruptores:
S1S5, S1S6, S6S2, S2S4, S4S3, S3S5
Estructura del inversor a 120º carga en triangulo
Voltaje de línea carga conectada en triangulo
Conducción de tres interruptoresConducción de tres interruptoresa) Carga en estrellaLa secuencia de disparo es:S1S5S3, S6S5S1, S1S2S6, S2S6S4, S3S4S2 y S4S5S3
Estructura Inversor a 180º carga en estrella
Primera etapa de funcionamientoDel circuito obtenemos:
CNAN VE
RR
ER
V
3
2
23
2EVBN
Analizando las seis etapas de funcionamiento del inversor obtenemos las Analizando las seis etapas de funcionamiento del inversor obtenemos las siguientes curvas para la tensión de línea y de fase para carga resistiva.siguientes curvas para la tensión de línea y de fase para carga resistiva.
Tensiones de fase
Tensiones de línea
Carga en trianguloCarga en trianguloLa secuencia de disparo es:S1S5S3, S6S5S1, S1S2S6, S2S6S4, S3S4S2 y S4S5S3
Inversor a 180º carga en triangulo
Voltajes de línea carga conectada en triangulo
oAoBBA VVV
BoAoAB VVV
CoBoBC VVV
AoCoCA VVV
oNoAAN VVV
NoANAo VVV
NoBNBo VVV
NoCNCo VVV
3CoBoAo
NoVVV
V
332 CoBo
AoANVV
VV
332 AoCo
BoBNVV
VV
332 BoAo
CoCNVVVV
Análisis de ecuaciones conducción a 180º carga en estrella
Sumando:
Del diagrama tenemos:
Del diagrama:
sennwtn
EVn
Ao
..5,3,1 2
4
)120(24
..5,3,1
wtsennn
EVn
Bo
)120(24
..5,3,1
wtsennn
EVn
Co
6/6
cos4..5,3,1
wtsennnn
Evn
AB
2/6
cos4..5,3,1
wtsennnn
Evn
BC
6/76
cos4..5,3,1
wtsennnn
Evn
AC
Del grafico:Combinando ecuaciones:
BoAoAB VVv
Obtenemos:
wtsennnnEv
nAN
..5,3,1 6cos
34
3/26
cos34
..5,3,1
wtsennnnEv
nBN
3/26
cos34
..5,3,1
wtsennnnEv
nCN
nwtsennn
nwCnwljRn
Eian ..5,3,1
2/122
6cos
13
4
RnwC
nwlarctgn
1
Voltajes de fase:
Corriente carga RCL:
Con:
3
2
0
22
22
dwtEV ABef
EV ABef 32
32
3EV
V ABefANef
EEVV ABMAX
ABef 7797,02
322
11
EV
V ABefANef 450,0
31
1
Voltaje eficaz de línea
Voltaje de fase
Voltaje eficaz de línea de la fundamental
Voltaje eficaz de fase de la fundamental
66cos2
..5,3,1
wtsennnn
Evn
AN
26cos2
..5,3,1
wtsennnn
Evn
BN
67
6cos2
..5,3,1
wtsennnn
Evn
CN
3/6
cos32..5,3,1
wtsennnnEv
nAB
3/6
cos32..5,3,1
wtsennnnEv
nBC
wtsennnnEv
nAC
..5,3,1 6cos32
CONDUCCION A 120º
Voltaje de fase Voltaje de línea
SimulaciónSimulación Inversor con punto medio con Inversor con punto medio con carga RLcarga RL
Estructura de simulación
Formas de onda tensión y corriente
M1
IRF640
M2
IRF640
M3
IRF640
M4
IRF640
M5
IRF640
M6
IRF640
V1220
V2220
V3
TD = 0
TF = 0PW = 15MPER = 30M
V1 = 0
TR = 0
V2 = 50
V4
TD = 15M
TF = 0PW = 15MPER = 30M
V1 = 0
TR = 0
V2 = 50
V5
TD = 10M
TF = 0PW = 15MPER = 30M
V1 = 0
TR = 0
V2 = 50
V6
TD = 25M
TF = 0PW = 15MPER = 30M
V1 = 0
TR = 0
V2 = 50V7
TD = 5M
TF = 0PW = 15MPER = 30M
V1 = 0
TR = 0
V2 = 50
V8
TD = 20M
TF = 0PW = 15MPER = 30M
V1 = 0
TR = 0
V2 = 50 R1
10R2
10R3
10
I
V-V+
R4
100
R5
100
R6
100
R7
100
R8
100
R9
100
0
L1
100mh
1 2
L2
100mH
1 2
L3
100mH
1 2
Inversor a 180 carga RL conectada ven estrella.
Time
0s 20ms 40ms 60ms 80ms 100ms 120ms 140ms 160ms 180msV(M4:d,L3:2) I(L1)
-300
-200
-100
-0
100
200
300Voltaje de fase y corriente por la carga