CAPITULO VII TEORIA DE LOS INVERSORES DE TENSION

CAPITULO VII
TEORIA DE LOS INVERSORES
DE TENSION
Introducción
Los inversores de tensión son conversores estáticos, destinados
a controlar el flujo de energía eléctrica entre una fuente de
tensión continua y una fuente de corriente alterna,
alterna, monofasica o
polifásica con control de los niveles de tensión y de la frecuencia
dependiendo de la aplicación.
Las principales aplicaciones de los inversores de tensión son:
-Accionamiento de maquinas eléctricas de corriente alterna
-Calentamiento inductivo
-Sistemas de alimentación ininterrumpida
-Transmisión de energía en corriente continúa
-Fuentes de respaldo y poder
-Instalaciones de energía solar voltaica
-Reactores electronicos para lamparas de descarga
-etc.
CLASIFICACION:
Los inversores de tensión se clasifican en:

Inversores monofasicos

Inversores trifásicos
Según el funcionamiento se clasifican en

Autónomos (no están conectados a ninguna fuente de
corriente alterna)

No autónomos (conectados a la red eléctrica).
Símbolo del inversor autónomo.
Inversores monofasicos
a )Inversor monofasico en puente
La estructura del inversor esta representado en la figura 7.1, los
interruptores son comandados en el cierre y en la apertura.


a.1) Carga resistiva
Figura 7.1 Estructura del inversor puente

Cuando Q1 y Q2, conducen, la tensión de
carga es igual a E, y cuando Q3 y Q4
conducen ella es igual a –E.
Figura 7.2 Formas de ondas de tensión y corriente
El voltaje eficaz en la carga:
T
Voeff
1
2

E
dt

T 0
Entonces:
Voeff  E
La tensión en series de Fourier sera:

V AB
4E
 
sen(nwt )
n 1, 3, 5,.. n
El valor eficaz para la fundamental será:
V AB1eff 
4E
2
Distorsión total armónica (THD).(THD).Es una medida de la similitud entre la forma de onda y su componente fundamental

V 

THD 
2 1/ 2
n
V AB1eff
En función de los voltajes:
V 2 oeff  V 2 AB1eff
THD 
V AB1eff
Factor Armónico de la enésima componente
Es una medida de la contribución armónica individual definida por:
H Fn 
Vn
V AB1eff
Valor.eficaz.enesima.comp.armonica

Valor.eficaz.comp. fundamental
Carga 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 funcionamiento
Este inversor tiene cuatro etapas de funcionamiento




S1
S2
S1
S2
S1
S2
S1
S2
y
y
y
y
y
y
y
y
S4
S3
S4
S3
S4
S3
S4
S3
en
en
en
en
en
en
en
en
conducción
corte→ Vc=E, D1 y D4 en corte
corte→
corte
conducción→ Vc = -E, D2 y D3 en conducción
conducción→
corte
conducción→ Vc = -E, D2 y D3 en corte
conducción→
conducción
corte, Vc = E, D1 y D4 en conducción
Como la carga es inductiva la corriente debe continuar
circulando en el mismo sentido, para que esto ocurra D2, D3
conducen hasta que la corriente sea cero, cuando la
corriente se anula entonces se invierte la polaridad de la
tensión en la carga y la corriente circula por S2 y S3. Para
que el circuito funcione correctamente es necesario que la
fuente E sea reversible en corriente.
Figura 7.4 Formas de ondas de tensión y corriente
Inversor con punto medio
Figura 7.5 Inversor con punto medio
Figura 7.6 Formas de onda
Inversor Push – Pull





Este circuito es uno de los primeros
empleados industrialmente, se adapta a
bajas frecuencias y bajas potencias,
presenta las siguientes características:
Emplea un transformador con punto medio
Emplea una fuente de corriente continua
Emplea dos Interruptores
La carga esta aislada de la fuente
Carga resistiva
Figura 7. 7 Inversor Push Pull carga resistiva
Figura 7. 8 Formas de ondas tensión y corriente
Carga inductiva
Figura 7.9 Inversor Push Pull carga RL
Figura 7.10 Formas de ondas de tensión y corriente
Inversores trifásicos




Estos conversores se utilizan en
aplicaciones de alta potencia, con la
característica de que los secundarios de
los transformadores se conectan
normalmente en estrella para de esta
forma eliminar los armónicos de orden 3
(n=3, 6,9…), de la tensión de salida.
Se tiene dos modos diferentes de
operación:
Conducción de dos interruptores
( conducción a 120°
120°)
Conducción de tres interruptores
( conducción a 180°
180°)
Pueden alcanzar frecuencias de hasta 50
Khz,, y en monofasicos hasta 500 Khz.
Khz
Conducción de dos interruptores
En cada instante existen dos interruptores en conducción, uno
en el brazo positivo y el otro en el brazo negativo, cada
interruptor es habilitado durante 120°
120°.
a) Carga en estrella
Secuencia de disparo
S1S5, S1S6, S6S2,
S2S4, S4S3, S3S5
Tensiones de fase
Para la tensión de línea:
VAB  VAN  VBN
E E
 
E
2
2
b) Carga conectada en triangulo
Secuencia 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 interruptores
a) Carga en estrella
La secuencia de disparo es:
S1S5S3, S6S5S1, S1S2S6, S2S6S4, S3S4S2 y S4S5S3
Estructura Inversor a 180º carga en estrella
Primera etapa de funcionamiento
Del circuito obtenemos:
VAN
R
E
E
2

  VCN
R
R 3
2
VBN
2E

3
Analizando las seis etapas de funcionamiento del inversor obtenemos las
siguientes curvas para la tensión de línea y de fase para carga resistiva.
Tensiones de fase
Tensiones de línea
Carga en triangulo
La secuencia de disparo es:
S1S5S3, S6S5S1, S1S2S6, S2S6S4, S3S4S2 y S4S5S3
Inversor a 180º carga en triangulo
Voltajes de línea carga conectada en triangulo
Análisis de ecuaciones conducción a 180º carga en estrella
Del diagrama:
V AN  VoA  VoN
VBo VCo
2
VAN  VAo 
3
3
VAo  VAN  VNo
Del diagrama tenemos:
VBA VoB VoA
VAB  VAo  VBo
VBC  VBo  VCo
VCA  VCo  V Ao
V Bo  V BN  V No
VCo VAo
2
VBN  VBo 
3
3
VCo  VCN  V No
Sumando:
VAo  VBo  VCo
VNo 
3
2
VAo VBo
VCN  VCo 
3
3
Del grafico:
Combinando ecuaciones:

4E
VAo  
sennwt
n1,3,5.. 2n
v AB  V Ao  VBo
Obtenemos:


V Bo 
4E

senn
(
wt

120
)

n 1, 3 , 5 .. 2 n
v AB
4E
 
 
cos n sennwt   / 6
6
n 1, 3, 5.. n

v BC 
4E
 
cos
n
 senn wt   / 2 

6
n 1 , 3 , 5 .. n 

VCo
4E
 
senn ( wt  120  )
v AC 
n 1, 3, 5.. 2n

4E
 
cos
n
 senn wt  7 / 6 

6
n 1, 3, 5.. n
Voltajes de fase:

v AN 

cos n 
3n
6
4E

n 1, 3 , 5 ..

v BN 

n 1, 3,5..

vCN 

n 1, 3, 5..

senn wt 

 
cos n sennwt  2 / 3
3n
6
4E
 
cos n sennwt  2 / 3
3n
6
4E
Corriente carga RCL:

ia 

n 1, 3, 5..
4E
2
 2

1


3n  R  j  nwl 
 

nwC  


Con:
1/ 2
 
cos n sennnwt   
6
1 

 nwl 

nwC 
 n  arctg 
R
Voltaje eficaz de línea
V ABef
2
2

2
2
3
E
2
dwt
Voltaje eficaz de línea de la fundamental
V ABef 1 
V ABMAX 1
0
2

2 3E
 2
 0,7797 E
Voltaje eficaz de fase de la fundamental
V ABef
2
E
3

V ANef 1 
Voltaje de fase
V ANef 
V ABef
3

2E
3
V ABef 1
3
 0,450 E
CONDUCCION A 120º
Voltaje de fase
Voltaje de línea

v AN

2E

 

 
cos n senn wt   v AB   2 E 3 cos n  sennwt   / 3
6
6

n 1, 3, 5.. n
6
n 1, 3, 5.. n
v BN

2E 3
 
2E
 v 
 

cos
n
 sennwt   / 3
 
cos n senn wt   BC

6
n 1, 3, 5.. n
2
6

n 1, 3, 5.. n


vCN 
2E
7 
 

cos
n
senn
wt

 

 v AC 

n

6
6
 


n 1, 3, 5..


n  1 , 3 , 5 ..
2E 3
 
cos n   senn wt  
n
 6 

Simulación Inversor con punto medio con
carga RL
Estructura de simulación
Formas de onda tensión y corriente
Inversor a 180 carga RL conectada ven estrella.
V1
R4
M1
R5
M2
R6 M3
220
100
V1 = 0
V2 = 50
TD = 0
TR = 0
TF = 0
PW = 15M
PER = 30M
V3
IRF640
V1 = 0
V2 = 50
TD = 10M
TR = 0
TF = 0
PW = 15M
PER = 30M
100
V5
IRF640
V1 = 0
V2 = 50
TD = 20M
TR = 0
TF = 0
PW = 15M
PER = 30M
100
IRF640
V8
R1
10
R2
2
100mh
L2
1
V+10
R3
V2
I
10
R9
100
V4
M4
R8
100
IRF640
V1 = 0
V2 = 50
TD = 25M
TR = 0
TF = 0
PW = 15M
PER = 30M
V6
0
M5
IRF640
V1 = 0
V2 = 50
TD = 5M
TR = 0
TF = 0
PW = 15M
PER = 30M
R7 M6
100
IRF640
V7
2
100mH
L3
1
220
V1 = 0
V2 = 50
TD = 15M
TR = 0
TF = 0
PW = 15M
PER = 30M
L1
1
2
100mH
V-
Voltaje de fase y corriente por la carga
300
200
100
-0
-100
-200
-300
0s
20ms
V(M4:d,L3:2)
40ms
I(L1)
60ms
80ms
100ms
Time
120ms
140ms
160ms
180ms