convertidores DC-AC

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


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


3

Control de frecuencia y amplitud de la tensión de salida.

PQ

1.- Introducción: Ejemplos de conversión de potencia

PQQ

E. Bueno


4

1.- Introducción: Operación en los cuatro cuadrantesp

p>0

p>0 p<0

p<0

E. Bueno


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

E. Bueno


6

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

E. Bueno


7

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)

E. Bueno


8

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)

E. Bueno


9

3.- Inversor monofásico half-bridge

dT VV peakoT iI ,

E. Bueno


10

4.- Inversor monofásico full-bridge

dT VV peakoT iI ,

E. Bueno


11

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

E. Bueno


12

4.- Inversor monofásico full-bridge: Modulación bipolar

gTAv

gTBv

ov1ov

doh Vv

FFT

d

oh

V

V

Formas de onda

E. Bueno


13

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

E. Bueno


14

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

E. Bueno


15

4.- Inversor monofásico full-bridge: Modulación unipolar 1

gTAv

gTBv

ov

doh Vv

Formas de onda

E. Bueno


16

pulsos

1

Gain

-1

Carrier

u*

1

TA+

TA-

TB+

TB-

gTAv

gTBv

ov

4.- Inversor monofásico full-brigde: Modulación unipolar 2

E. Bueno


17

4.- Inversor monofásico full-bridge: Modulación unipolarCorriente en el lado DC

E. Bueno


18

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

E. Bueno


19

4.- Inversor monofásico full-bridge: Rizado en la corriente y tensión de salida

1)( ooripple vvtv 1)( ooripple iiti

E. Bueno


20

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

E. Bueno


21

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


22

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

E. Bueno


23

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


24

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)

E. Bueno


25

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

E. Bueno


26

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


27

2.1.- PWM escalar: zona lineal

Armónicos de vLL en zona lineal para un mf elevado y múltiplo de 3

E. Bueno


28

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

E. Bueno


29

2.1.- PWM escalar: Zonas de operación

E. Bueno


30

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-

E. Bueno


31

2.2.- PWM escalar con secuencia cero

a)

b)

c)

d)

e)

f)

E. Bueno


32

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

E. Bueno


33

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

E. Bueno


34

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


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

E. Bueno


35

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


E. Bueno


36

2.4.- Rizado en la tensión y corriente de salida

E. Bueno


37

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

E. Bueno


38

2.5.- Dispositivos en conducción: Operación en onda cuadrada

E. Bueno


39

2.5.- Dispositivos en conducción: zona lineal

E. Bueno


40

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


41

Salto de tensión cuando la corriente invierte su sentido.


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


42

Efecto en la tensión de salida


E. Bueno


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


44

Operación con frecuencia de conmutación variable.

4.2.- Control de corriente no lineal por hysteresis.

E. Bueno


45

4.3.- Control de corriente lineal

E. Bueno


46

5.- Funcionamiento en modo rectificador - inversor

E. Bueno


47

5.- Funcionamiento en modo rectificador - inversor

E. Bueno


48E. Bueno

6.- Resumen y conclusiones

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