REPÚBLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELA MINISTERIO DEL PODER POPULAR PARA LA EDUCACIÓN UNIVERSITARIA INSTITUTO UNIVERSIT ARIO DE TECNOLO GÍA DEL OESTE “MARISCAL SUCRE” CARACAS – DISTRITO CAPITAL PNF-ING. EN ELÉCTRICIDAD Maq!"a# $%&'()!'a# III I"*$)#+)$# C+"*$)#!," D$ C+"(!"a E" A%($)"aM+"+/#! '+# 0 T)!/#!'+# P)+$#+)1 2+)a'!+ Ca)a3a%%+ T. S.U1 2$)"/"4$5 A%*a)+ C.I1 67.689.:;6 T.S.U1 O)(!5 A"(<+"= C.I1 >?.?>7.6?7 T.S.U1 V $)a 2$'(+ ) C.I1 66.8>@.8?8 Ca)a'a#$3)$)+ >?6
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8/20/2019 Trabajo de Electronica de Potencia 29-02.16-2
)os inversores son circuitos que convierten la corriente continua en corriente alterna%*ás e+actamente, los inversores transfieren potencia desde una fuente de continua a
una carga de alterna%
En otras aplicaciones, el objetivo es crear una tensión alterna cuando sólo hay
disponible una fuente de tensión continua%
)os inversores se utilizan en aplicaciones tales como motores de alterna de velocidad
ajustable, sistemas de alimentación ininterrumpida #"(l' y dispositivos de corriente
alterna que funcionen a partir de una batería de automóvil%
Estos pueden ser monofásicos o trifásicos y a su vez autónomos o no autónomos,
todos son conversores $$ $( y todos trabajan en conmutación, es decir que los
semiconductores operan en corte y saturación%
)a denominación de A(,"++ implica que son inversores cuya tensión y frecuencia
de salida son propios y no están regidas por otras fuentes e+ternas de energía, es decir
que dichos parámetros son generados acorde al dise-o adoptado y son los que
entregan a la carga%
"e diferencian de los .nversores N+ A(,"++# en que estos no tienen una tensión y
frecuencia propias, debido a que no operan en forma independiente sino que trabajan
interconectados con una red de energía eléctrica #que de hecho es de tensión senoidal
y normalmente trifásica', es decir trabajan en paralelo para alimentar a las cargas
conectadas a dicha red% Es la red la que impone su forma de onda senoidal y
frecuencia, mientras que el inversor entrega energía a la red sin modificar dichos
parámetros y por tanto trabaja en conmutación natural%
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En un sistema fotovoltaico con cone+ión a la red eléctrica, la potencia en corriente
continua #$$' generada por el equipo fotovoltaico debe convertirse a corriente alterna
#$(' para poder ser inyectada en la red eléctrica% Este requisito hace imprescindiblela utilización de un inversor que convierta corriente continua en corriente alterna,
para conseguir un flujo de energía cómo el que muestra la figura%
E% C+"*$)(!4+) E" P$"($ D$ O"4a C+%$(a.
El convertidor en puente de onda completa es el circuito básico que se utiliza
!ara convertir contin/a en alterna% ( partir de una entrada de continua se obtiene una
salida de alterna cerrando y abriendo interruptores en una determinada secuencia% )a
tensión de salida Vo puede ser 0 Vcc' 1 V cc, o cero, dependiendo de qué interruptoresestán cerrados% )as 2iguras a, b, c, d y e% muestran los circuitos equivalentes de las
combinaciones de interruptores%
.nterruptores cerrados 3ensión de salida, Vo
". 4 "5 0v
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:ote que ". y "7 no deberían estar cerrados al mismo tiempo, ni tampoco "5 y "6%
&e otra manera habría un cortocircuito en la fuente de continua% )os interruptores
reales no se abren y se cierran instantáneamente, !or tanto, deben tenerse en cuenta
los tiempos de transición de la conmutación al dise-ar el control de los interruptores%
El solapamiento de los tiempos de conducción de los interruptores resultaría en uncortocircuito, denominado en ocasiones fallo de solapamiento #shoot1through fault'
en la fuente de tensión continua% El tiempo permitido para la conmutación se
denomina tiempo muerto #blan;ing time'%
EL INVERSOR DE ONDA CUADRADA
El esquema de conmutación más sencillo del convertidor en puente de onda completa
genera una tensión de salida en forma de onda cuadrada% )os interruptores conectan
la carga a 0 V cc cuando "9 y "5 están cerrados y a 1 Vcc cuando "6 y "7 están
cerrados% )a conmutación periódica de la tensión de la carga entre 0 Vcc y 1 Vcc
genera en la carga una tensión con forma de
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onda cuadrada% (unque esta salida alterna no es sinusoidal, puede ser una onda de
alterna adecuada para algunas aplicaciones%
)a forma de onda de la corriente en la carga depende de los componentes de la carga%
En una carga resistiva, la forma de onda de la corriente se corresponde con la formade la tensión de salida% na carga inductiva tendrá una corriente con más calidad
sinusoidal que la tensión, a causa de las propiedades de filtrado de las inductancias%
na carga inductiva requiere ciertas consideraciones a la hora de dise-ar los
interruptores en el circuito en puente de onda completa, ya que las corrientes de los
interruptores deben ser bidireccionales%
TIPOS 0 APLICACIONES DE LOS INVERSORES AUTONOMOS
*<:<2(".$<"
$lasificación por el tipo de carga
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)os .nversores (utónomos *onofásicos, se pueden clasificar por el tipo de carga en
base a la frecuencia de operación requerida o impuesta por dicha carga, en tres
grandes tipos=
> .nversores de frecuencia fija% "e emplean en 2uentes $onmutadas, ya sean con
tensión de salida fija o variable? !"? "uministros @esidenciales o cargas puntuales?
etc%
!or ejemplo, las fuentes conmutadas en sus diferentes tipos, por su elevado
rendimiento se emplean en !$, televisores, etc% trabajando a una frecuencia de
conmutación del orden de los 5ABC y en ciertos casos hasta 7ABz, por tanto es
necesario previamente rectificar la tensión de red y luego producir una tensión dealterna a la frecuencia mencionada, para luego volver a rectificar% $on la energía
proveniente de $eldas Doltaicas que cargan una batería de acumuladores, se puede
generar tensión alterna de 558D a la frecuencia de A8z para alimentar una peque-a
vivienda o una determinada carga%
.gualmente, con los generadores eólicos, rectificando previamente su tensión%
> .nversores de frecuencia variable% na de las aplicaciones de estos inversores
monofásicos se encuentra en los generadores o fuentes conmutadas de se-ales
alternas%
&entro de estos inversores se cuentan los implementados con el modo de control por
!F*, donde la tensión y frecuencia de salida son variables% )a aplicación
fundamental es con salida trifásica para el control de la velocidad de los motores
asincrónicos trifásicos a cupla constante, lo cual se logra manteniendo la relación
tensión Gfrecuencia Df constante, es decir a medida que se varía la frecuencia, sevaría la tensión en la misma relación% En esta aplicación la tensión E que alimenta al
inversor proviene de un rectificador trifásico a diodos con filtro de salida,
incorporado en el mismo gabinete del inversor
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)a elección del elemento adecuado es en función de la potencia? tensión y frecuencia
requeridos por la carga y el costo del mismo%
> 3odos los inversores autónomos alimentados con fuente de tensión de c%c% necesitan
de diodos de recuperación de energía reactiva%
> :o son necesarios dichos diodos cuando la alimentación se implementa a través deuna fuente de corriente constante% #inversores a tiristores', pero en este caso será
necesario disponer de condensadores, que cumplen una doble función= "uministrar la
energía necesaria para interrumpir la conducción del tiristor a bloquear%
$ompensar la potencia reactiva inductiva de la carga y transformar la impedancia
total vista por la fuente en reactiva capacitiva%
(!).$($.<:E"=
> (ctuadores para motores de corriente alterna% !ermite variar la tensión y la
frecuencia de estos motores%
> 2uentes de alimentación ininterrumpida #!"'% Nenera una tensión senoidal a partir
de una batería con el fin de sustituir a la red cuando se ha producido un corte en el
suministro eléctrico%
> Neneración fotovoltáica% Nenera la tensión senoidal de A8z a partir de una tensión
continua producida por una serie de paneles fotovoltaicos%
En este tema, se considerará /nicamente el funcionamiento a bajas frecuencias, es
decir= los interruptores conmutando a la frecuencia de la red
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(hora trataremos el otro proceso básico denominado inversión% !or este término
debemos interpretar aquel equipo capaz de transformar la energía continua en alterna%
"i bien al estudiar los rectificadores controlados, vimos que se podía funcionar en
sentido inverso, transformando la corriente continua en alterna, y por tanto trabajando
como inversores% "in embargo, para que los rectificadores controlados realicen esta
faceta, necesitan estar conectados a una fuente alterna del e+terior como carga, que
impone la frecuencia en el lado de alterna, por lo que se llamaban inversores
controlados o guiados #no autónomos'%
En este tema se estudiarán aquellos dispositivos que funcionen automáticamente, sinnecesidad de estar conectados a ninguna red de alterna, de forma que se permita la
transformación de continua a alterna cuando en el lado de alterna sólo haya receptores
de energía% ( estos dispositivos se les denominará inversores u onduladores
autónomos o auto guiados% El funcionamiento de los inversores auto guiados se
caracterizará por ser el propio dispositivo quién determina la frecuencia y la forma de
onda de la tensión alterna suministrada a la carga% En este capítulo trataremos de
desarrollar los inversores estáticos con semiconductores% &entro de los inversores
estáticos con semiconductores, podemos distinguir dos grandes grupos=
> $on transistores para aplicaciones de baja potencia #OA88;F'%
> $on "@$ aplicables hasta potencias más elevadas #O*F'%
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Deamos a continuación un resumen de dicha clasificación, en función de su
naturaleza y funcionamiento=
#9HPA88;H'
#BFP*F'
En general las cargas alternas de los inversores no suelen ser simplemente resistivas%$asi sin e+cepción, el factor de potencia en la carga no es la unidad, y en la mayoría
de casos la potencia media que se transfiere a la carga corresponde /nicamente a la
frecuencia del fundamental, dado que las cargas dispondrán de su componente
reactiva%
D!$)$"($# '+"!H)a'!+"$# 4$ %+# I"*$)#+)$#.
$ualquier inversor puede ser constituido por uno o varios voltajes de entrada de
corriente continua, que por medio de un conjunto de interruptores pueden ser
conectados a una carga mono o polifásica para obtener de manera alternada
semiciclos positivos y negativos en la salida% Deamos a continuación la
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Inversiónestática
Con
transistor
Osciladores
Conversores de cc/ca. Baa
!otencia " $i os ortátiles
Con
'O()*O'O+O%
,randes -otencias
-ara *rans!ortar
Con +otores eC.(
()*O'O+
O%
Caldeo -or
Ind$cción (l$rado %.(.I
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representación de las configuraciones básicas, distinguiendo entre configuraciones
monofásicas y trifásicas%
$onfiguraciones *onofásicas=
1 Estructura tipo !ush1!ull #3ransformador con toma intermedia'=
En la figura siguiente se describe este circuito y las formas de onda de las variables
más representativas=
)a fuente de c%c está representada por una batería de tensión Ds% El polo positivo está
permanentemente conectado a la toma media de un transformador que se considera
ideal #intensidad magnetizante nula, resistencia de los devanados nula, inductancia de
dispersión nula'% El polo negativo de la batería, que se toma de referencia de
tensiones para el circuito asociado al primario, se conecta alternativamente a los
e+tremos ( y L del primario mediante los interruptores .:9 e .:5%
)os interruptores están sometidos a una tensión 5Ds cuando están en abierto% )os
circuitos reales con transistores o tiristores someten por tanto a estos dispositivos a
picos de tensión todavía mayores a 5Ds debido a las inevitables oscilaciones que
tienen lugar en las conmutaciones% !or dicha razón esta configuración no es adecuada para trabajar con tensiones de alimentación altas% El transformador de toma media
tiene un grado de utilización bajo en el primario y empeora bastante el rendimiento en
los circuitos prácticos, por lo que no es aconsejable emplear esta configuración para
potencias superiores a 98BD(% )a tensión resultante en la salida es una onda
cuadrada de amplitud Ds independiente de la intensidad para cualquier tipo de carga,
cuya frecuencia está determinada por la velocidad de cierre y apertura de los
interruptores, y en los circuitos prácticos por la frecuencia de los impulsos de
e+citación de los semiconductores% )a intensidad de batería en este circuito es
perfectamente continua e igual a Ds@%
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En esta topología los interruptores soportaran Ds en lugar de 5Ds, pero solo aplicanDs5 al bobinado primario%
&urante los semiperíodos en que Q9 está e+citado y saturado, la tensión en el e+tremo
derecho de la carga es 0D"5 respecto de la toma media de la batería, salvo caídas de
tensión despreciables en el semiconductor% &urante los semiperíodos en que se e+cita
Q5, la tensión en dicho e+tremo de la carga es 1D"5% )a tensión resultante en la carga
es una onda cuadrada de amplitud D"5%Esta configuración es más adecuada para
tensiones altas de la fuente $%$% que la configuración con transformador de toma
media, pero tiene el inconveniente de que la tensión en la carga es sólo la mitad de la
que hay en la batería%
!ara realizar las ondas de intensidad de salida io#t' se ha supuesto por simplicidadque la carga consiste en un circuito @)$ que tiene una impedancia a los armónicos de
la tensión de salida de forma que absorbe una intensidad io#t' senoidal pura% El
ángulo de retardo de dicha intensidad respecto a la componente fundamental deϕ
vo#t' <bservando la evolución relativa de vo#t' e io#t' se confirma la necesidad de
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2actor de &istorsión #&2'= El 3& indica el contenido armónico total, pero no indica
el nivel de cada uno de sus componentes% (sí el factor de distorsión indica la cantidad
de distorsión armónica que queda en una forma de onda particular después de que las
armónicas de esa forma de onda hayan sido sujetas a una atenuación de segundo
orden #es decir divididas por n5'% !or lo tanto, &2 es una medida de la eficacia en la
reducción de las componentes armónicas no deseadas, sin necesidad de especificar
los valores de un filtro de carga de segundo orden, y se define como=
"iendo el factor de distorsión de una componente individual como=
E+isten diversas técnicas para controlar la ganancia, una de las más eficientes se trata
de la *odulación de la anchura del pulso #!F*'% &entro de la técnica general !F*
podemos destacar las siguientes modalidades=
*odulación de la anchura de un impulso por período # "ingle1pulse1Hidth
modulation'%
En este tipo de modulación hay un /nico pulso por semiperiodo, de forma quevariando la anchura de dicho pulso, se varía la tensión de salida del inversor% En la
siguiente figura se muestra la generación de las se-ales de puerta de los transistores y
la tensión de salida de un inversor en puente monofásico% &icha generación de
se-ales de puerta se obtiene por comparación de una onda rectangular #onda de
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referencia' de amplitud (r con una onda triangular #portadora' de amplitud (c% )a
frecuencia de la se-al de referencia determina la frecuencia de la tensión de salida, y
variando (r desde 8 hasta (c conseguimos variar la anchura del pulso desde 8S hasta
9I8S%
*odulación de la anchura de varios impulsos iguales por período
#*ultiple1pulse1Hidth modulation'%
El contenido armónico puede ser reducido utilizando m/ltiples pulsos cada
semiperíodo% )a generación de esos pulsos se puede ver en la siguiente figura, donde
se compara una se-al triangular con una referencia
)a variación de la tensión de salida se logra variando la anchura de cada pulso W
entre cero y X:, donde : es el n/mero de pulsos por semiperíodo% )a frecuencia de
la se-al de referencia determina la frecuencia de la se-al de salida del inversor, siendo
la frecuencia fc de la portadora quien determina el n/mero de pulsos por semiperíodo%
( este tipo de modulación también se le conoce como modulación uniforme de la
anchura de pulso% El n/mero de pulsos por cada semiperíodo se calcula como=
: R fc#5fo' R *f5 R entero% donde a *f se le conoce como el índice de modulaciónde frecuencia% )as componentes del desarrollo en serie de 2ourier que se obtienen se
representan en la siguiente figura, para distintos n/meros de pulsos%
*odulación senoidal de la anchura de impulso
#"inusoidal1pulse1Hidth modulation'%
En lugar de mantener la anchura de los pulsos constante, se puede variar dicha
anchura en proporción a la amplitud de una onda senoidal, reduciendo el factor dedistorsión y los armónicos de bajo orden%
)as se-ales de disparo son generadas, tal como se muestra a continuación=
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)a frecuencia de la se-al de referencia determina la frecuencia de salida del inversor,
y su amplitud #(r' controla el índice de modulación *, y por tanto la tensión eficaz
de salida% El n/mero de pulsos por semiciclo depende de la frecuencia de la
portadora% )a mismas se-ales de disparo se pueden obtener con una ondaunidireccional triangular%
@educción del contenido armónico%
@educir el contenido armónico del puerto alterno de tensión o corriente es una de las
tarea más complejas en el dise-o de los conversores dc1ac% )os armónicos no sólo
reducen el factor de potencia del lado de alterna, sino también aumentan las
interferencias con el propio conversor, o con equipos situados en el entorno% (demás
si el inversor alimenta una carga electromecánica, tal como un motor de alterna, el
contenido en armónicos de la forma de alterna que alimentan al motor provocan
resonancias mecánicas causando ruido ac/stico%
En una primera apro+imación, cabría pensar que un filtro pasa baja #reducción
pasiva' podría eliminar el problema de los armónicos, sin embargo, no será
demasiado efectivo cuando se aplica al inversor, la razón estriba en la relación entre
la frecuencia de conmutación y la frecuencia de la entrada o de la salida es finita enun conversor dc1ac% !or tanto en un inversor el tama-o y la efectividad de los
elementos del filtro están determinados por factores tales como la cantidad de
atenuación o el desplazamiento de fase tolerado%
$uando se requiere reducir la distorsión armónica de la tensión de salida de un
inversor de frecuencia fija o poco variable, se dispone un filtro a la salida que permite
el paso de la onda fundamental y se lo impide a los armónicos% $asi todos los filtros
empleados para este propósito tienen configuración en ) y en la siguiente se presentael esquema general=
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conocidas como armónicos% )a mayor o menor presencia de armónicos se mide con
una magnitud conocida como 3asa de &istorsión (rmónica #3&'%
)a presencia de armónicos en una instalación, o red de distribución eléctrica puedeacarrear innumerables problemas, tales como=
"obrecalentamientos en los conductores especialmente en el neutro de las
instalaciones, debido al efecto pelicular% &isparos intempestivos de .nterruptores (utomáticos y &iferenciales% &isminución del factor de potencia de una instalación y envejecimiento e
incluso destrucción de las baterías de condensadores utilizadas para su
corrección debido a fenómenos de resonancia y amplificación% Dibraciones en cuadros eléctricos y acoplamientos en redes de telefonía y de
datos% &eterioro de la forma de onda de la tensión, y consiguiente
malfuncionamiento de los aparatos eléctricos% $alentamientos, degradaciones en los aislamientos, embalamientos y frenados
en motores asíncronos% &egradaciones del aislamiento de los transformadores, pérdida de capacidad
de suministro de potencia en los mismos%
3odos estos efectos acarrean pérdidas económicas importantes debido a= :ecesidad de sobredimensionamiento de los conductores y de las potencias
contratadas en una instalación% :ecesidad de sustitución con mayor frecuencia de los aparatos y máquinas
da-ados por los armónicos% !aradas de producción debidas a los disparos intempestivos de los elementos
de protección y mando%
(hora bien, \cómo podemos detectar la presencia de armónicos en nuestra
instalación] (demás de la propia observación de los efectos causados y la e+periencia
de los técnicos de mantenimiento, podemos recurrir a instrumentos tales como
osciloscopios, multímetros y pinzas de verdadero valor eficaz #3*@"', multímetros
medidores de armónicos y analizadores de redes eléctricas, además de la e+istencia de
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