convertidores dc-ac
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Convertidores de Potencia AvanzadosConvertidores DC-AC (inversores)
1E. Bueno
Convertidores DC-AC (inversores)Convertidores DC-AC (inversores)
Conceptos básicos de convertidores DC-AC. Inversores monofásicos
Inversores trifásicos.
Contenido
Capítulo 8 de N. Mohan, T. M. Undeland y W. P. Robbins. “Power Electronics: Converters, Applications, and Design”. Ed. John Wiley & Sons, Inc. ISBN: 0-471-58408-8.
Bibliografía básica
Convertidores de Potencia AvanzadosConvertidores DC-AC (inversores)
2
Conceptos básicos de convertidores DC/AC. Inversores monofásicos1.- Introducción2.- Conceptos básicos sobre inversores
2.1.- Conmutación PWM2.1.1- Sobremodulación (ma > 1.0)
2.2.- Conmutación en onda cuadrada3.- Inversores en medio puente (monofásicos)4.- Inversores en puente completo (monofásicos)
4.1.- PWM con tensión bipolar4.2.- PWM con tensión unipolar4.3.- Funcionamiento con onda cuadrada4.4.- Control de la salida mediante compensación de tensión4.5.- Rendimiento del interruptor en inversores en puente2.6.- Rizado en la salida de un inversor monofásico
5.- Inversores en push-pull6.- Resumen y conclusiones
ÍNDICE
E. Bueno
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Control de frecuencia y amplitud de la tensión de salida.
PQ
1.- Introducción: Ejemplos de conversión de potencia
PQQ
E. Bueno
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4
1.- Introducción: Operación en los cuatro cuadrantesp
p>0
p>0 p<0
p<0
E. Bueno
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5
2.- Conceptos básicos sobre convertidores DC-AC:Obtención de la tensión de salida mediante modulación PWM
Tensión de salida promediada sobre un ciclo de conmutación:
tri
controla v
vm
ˆ
ˆ
control
trif f
fm
Índice de modulación de amplitud:
Índice de modulación de frecuencia:
tricontrold
tri
controlAo vv
V
v
vV ˆ
2ˆ
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2.- Conceptos básicos sobre convertidores DC-AC: SPWM
la componente fundamental de la tensión desalida tomará el valor:
11sin( ) 1.0
2d
Ao a a
Vv m t m
Asumiendo una señal moduladora sinusoidal:
1
ˆ 1.02d
Ao a a
VV m m
Los armónicos en la tensión de salida aparacen en las bandas laterales de fS y sus múltiplos
1h ff jm k f
El armónico hth corresponde a la banda kth
of j veces el índice de modulación de frecuencia mf. Para valores pares de j sólo existen los armónicos impares de k, y viceversa.
1 15
13 17 31293327
3525454743 494139 51
tvv controlcontrol 1sinˆ
mf <=21: PWM síncrona para evitar subarmónicos mf debería ser un número entero impar
mf >21: PWM asíncrona
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2.- Conceptos básicos sobre convertidores DC-AC:Sobre-modulación
2
4ˆ
2 1d
Aod V
vV
0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03 0.035 0.04-1.5
-1
-0.5
0
0.5
1
1.5
v tri (V
), v
cont
rol (V
)
0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03 0.035 0.04-60
-40
-20
0
20
40
60
time(s)
v Ao(V
)
vtri
(V)
vcontrol
(V)
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2.- Conceptos básicos sobre convertidores DC-AC:Conmutación en onda-cuadrada
2
4ˆ
1d
Ao
Vv
h
vv Ao
hAo1
ˆˆ
0
t
tricontrol vdt
dv
dt
d
4
1cos
011S
ta Ttm
1
2
f
fm S
a
0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03 0.035 0.04-1.5
-1
-0.5
0
0.5
1
1.5
v tri (V
), v
cont
rol (V
)
0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03 0.035 0.04-60
-40
-20
0
20
40
60
time(s)
v Ao(V
)
vtri
(V)
vcontrol
(V)
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3.- Inversor monofásico half-bridge
dT VV peakoT iI ,
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4.- Inversor monofásico full-bridge
dT VV peakoT iI ,
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4.- Inversor monofásico full-bridge: Modulación bipolar
pulsos
1
Carrier
u*
1
TA+
TA-
TB+
TB-
22d
BoBd
AoA
VvONT
VvONT
Modo de funcionamiento: )()( tvtv AoBo
)(2)()()( tvtvtvtv AoBoAoo
0.1ˆ 1 adao mVmv
0.14
ˆ 1 adod mVvV
Zona de funcionamiento lineal:
Sobremodulación:
N
P
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4.- Inversor monofásico full-bridge: Modulación bipolar
gTAv
gTBv
ov1ov
doh Vv
FFT
d
oh
V
V
Formas de onda
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4.- Inversor monofásico full-bridge: Modulación bipolarCorriente en el lado DC
cosd
ood V
IVI
d
ood V
IVI
2
12
vd con oscilación del doble de la frecuencia de red
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pulsos
1
tri1
-1
Carrier
u*
1
4.- Inversor monofásico full-bridge: Modulación unipolar 1
TA+
TA-
TB+
TB-
0
0
ANBtricontrol
dANBtricontrol
ANAtricontrol
dANAtricontrol
vONTvv
VvONTvv
vONTvv
VvONTvv
Modo de funcionamiento:)()( tvtv AoBo
)(2)()()( tvtvtvtv AoBoAoo
0.1ˆ 1 adao mVmv
0.14
ˆ 1 adod mVvV
Zona de funcionamiento lineal:
Sobremodulación:
N
P
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4.- Inversor monofásico full-bridge: Modulación unipolar 1
gTAv
gTBv
ov
doh Vv
Formas de onda
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pulsos
1
Gain
-1
Carrier
u*
1
TA+
TA-
TB+
TB-
gTAv
gTBv
ov
4.- Inversor monofásico full-brigde: Modulación unipolar 2
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4.- Inversor monofásico full-bridge: Modulación unipolarCorriente en el lado DC
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4.- Inversor monofásico full-bridge: Control de salida por desplazamiento de fase
dhV
dhvv
d
oho
cos2
cos2
ˆ2
2
hVv dho sin4
ˆ
donde h es un entero impar y
2
1º90
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4.- Inversor monofásico full-bridge: Rizado en la corriente y tensión de salida
1)( ooripple vvtv 1)( ooripple iiti
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El resultado de trabajar en la zona lineal es un rizado menor.
4.- Inversor monofásico full-bridge: Rizado en la corriente y tensión de salida
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Modo de operación en onda cuadrada.
5.- Inversor push-pull
0.1ˆ1 a
dao mn
Vmv
0.14
ˆ1 a
do
d mn
Vv
n
V
ni
IVV peakoTdT
,2
E. Bueno
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6.- Resumen y conclusiones
• Conceptos sobre PWM:
Índice de modulación de amplitud, índice de modulación de frecuencia.
Modulación lineal, sobremodulación y operación en onda cuadrada.
• Inversores monofásicos full-bridge:
Modulación bipolar y modulación unipolar.
Funcionamiento con onda cuadrada
Control de la salida mediante compensación de tensión
• Inversores en push-pull
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Inversores trifásicos1.- Introducción a los inversores trifásicos.2.- Técnicas de control en lazo abierto.
2.1.- PWM escalar en inversores trifásicos.2.1.1.- Modulación lineal (ma ≤1.0).2.1.2.- Sobremodulación (ma >1.0).2.1.3.- Funcionamiento en onda cuadrada.
2.2.- PWM escalar con secuencia cero.2.3.- Modulación vectorial para inversores trifásicos (SVPWM).2.4.- Rizado en la salida del inversor.2.5.- Corriente en la entrada continua id.2.6.- Conducción de los interruptores en inversores trifásicos.
2.6.1.- Funcionamiento con onda cuadrada.2.6.2.- Funcionamiento con PWM.
3.- Efecto del tiempo muerto sobre la tensión de los Inversores PWM.4.- Propuesta de otras técnicas de control.
4.1.- Eliminación selectiva de armónicos (SHE).4.2.- Controladores de corriente no lineal por hysteresis.4.3.- Controladores lineales.
5.- Modo de funcionamiento como rectificador.6 .- Resumen y conclusiones.
ÍNDICE
E. Bueno
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1.- Introducción a los inversores trifásicos
AD
2dv oi R+
-
L e
P
A
B
AD
AT
AT
BD
BD
BT
BT
di
+-2
dv
o
Máquina ACó
Red eléctrica
C
CD
CD
CT
CT
n
N
El nodo n (neutro de la carga) está flotante con respecto al nodo o (punto intermedio del DC-bus)
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1.- Introducción a los inversores trifásicos: Patrones de conmutación
a b c
d
AnV
v d
BnV
v d
CnV
v d
ABV
v d
BCV
v d
CAV
v
0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0
32 3
1 31 1 0 -1
1 1 0 3
1 31 3
2 0 1 -1
0 1 0 3
1 32 3
1 -1 1 0
0 1 1 3
2 31 3
1 -1 0 1
0 0 1 3
1 31 3
2 0 -1 1
1 0 1 3
1 32 3
1 1 -1 0
1 1 1 0 0 0 0 0 0
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2.1.- PWM escalar: zona lineal
Formas de onda en zona lineal
2
ˆˆˆ111
daAnAoAN
Vmvvv
0.1am dadaANLL VmVmvV 612.0
22
3ˆ
2
311
Poca utilización del DC-bus,
necesidad de explorar nuevas técnicas
E. Bueno
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2.1.- PWM escalar: zona lineal
Armónicos de vLL en zona lineal para un mf elevado y múltiplo de 3
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2.1.- PWM escalar: modo de operación en onda cuadrada(six-step operation)
ddd
LL VVV
V 78.06
2
4
2
31
dLLh Vh
V78.0
,....3,2,116 nnh
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2.1.- PWM escalar: Zonas de operación
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2.2.- PWM escalar con secuencia ceroInyección 3er armónico
Relación de mejora del aprovechamiento de Vd es 15.47%
2
,,,,max cbacbaZ
VVVmínVVVV
TA+
TA-
TB+
TB-
TC+
TC-
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2.2.- PWM escalar con secuencia cero
a)
b)
c)
d)
e)
f)
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2.3.- SVPWM
100
101001
011
010 110
111000
abc010
REFv
110
111000
REFv
100REFS
vT
T 1
REFS
vT
T 2
III
III
IV
VVI
1v
2v
dddAB VVVV2
1
2
3
3
2
2
3º30cos
3
2
2
3 1
*anv
s1a
*bnv
*cnv
s1b
s1cCálculo vector
fsh
Secuencia modulación
sector
t1t2t0t7
Inversor
(0)
vdc
va
vb
vc(n)
Load
2
3
2
30
2
1
2
11
k
REFv
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2.3.- SVPWMv
)(1 v
)(2 v
2T1T 70 TT
ST
)(REFv
t
Área total de = Área total de
7
2
2
1
1
0
0
721
0
0
0
t
t
t
t
t
t
tT
REF dtvdtvdtvdtvdtvS
SSREF T
Tv
T
Tvv 2
21
1
60sin
60sin
11
v
vTT REFS
60sin
sin
22
v
vTT REFS
221
07TTT
TT S
G
AO
V
v
5.0
G
BO
V
v
5.0
G
CO
V
v
5.0
ST
0T
1
1
1
1
1
1
1T 2T 7T
ST
1
1
1
1
1
1
7T
2ST
20T
21T
22T
22T
21T
20T
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2.3.- SVPWM
101
100
110010
011
001 101
100
110010
011
001
Ciclo de muestreo 1 Ciclo de muestreo 2
θ θ
T0/4 T0/4T1/2 T1/2T2/2 T2/2T7/2 T0/4 T0/4T1/2 T1/2T2/2 T2/2T7/2
Ciclo de muestreo 1 Ciclo de muestreo 2
vAN
vBNvCN
vNn
TS TS
1
01
01
0
1
0
2/31/3
-1/3-2/3
-1
vAn 0
2/31/3
-1/3-2/3
vBn 0
2/31/3
-1/3-2/3
vCn 0
2/31/3
-1/3-2/3
vAn 01/3
-1/3-2/3
12/3
-1
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2.3.- SVPWM
101
100
110010
011
001q a qb q c
N
VG
(001)
A
B
C
0 2 4 6 8 10 12 14
0
vCN
vBN
vAN
0 2 4 6 8 10 12 14
Ciclo de muestreo 1 Ciclo de muestreo 2
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2.4.- Rizado en la tensión y corriente de salida
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La corriente está formada por una componente DC y armónicos relacionados con la frecuencia de conmutación.
2.5.- Corriente en el lado DC
dd
ood I
V
IVi cos
3
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2.5.- Dispositivos en conducción: Operación en onda cuadrada
E. Bueno
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2.5.- Dispositivos en conducción: zona lineal
E. Bueno
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Debido a que los tiempos de encendido y apagado de los dispositivos no es 0, se introduce un tiempo muerto para evitar cortocircuitos transitorios.
El resultado es una no-linealidad
3.- Efecto del tiempo muerto (“blanking time o deadtime”)
E. Bueno
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41
Salto de tensión cuando la corriente invierte su sentido.
3.- Efecto del tiempo muerto (“blanking time o deadtime”)
0
0
dd oA
ANd
d oA
tV i
TsVtV i
Ts
0
0
dd oA
BNd
d oA
tV i
TsVtV i
Ts
2 0
2 0
dd o
o AN BNd
d o
tV i
TsV V VtV i
Ts
E. Bueno
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Efecto en la tensión de salida
3.- Efecto del tiempo muerto (“blanking time o deadtime”)
E. Bueno
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43
Se obtienen los ángulos de conmutación en función de los armónicos que se desean eliminar.
4.1.- Eliminación selectiva de armónicos (SHE)
E. Bueno
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Operación con frecuencia de conmutación variable.
4.2.- Control de corriente no lineal por hysteresis.
E. Bueno
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4.3.- Control de corriente lineal
E. Bueno
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5.- Funcionamiento en modo rectificador - inversor
E. Bueno
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5.- Funcionamiento en modo rectificador - inversor
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6.- Resumen y conclusiones