Inversor DC/AC (continua / alterna)

Autores:

Daniel Vásquez

Marcela Pazmiño

Ricardo Cuichan

Roberto Guallichico

Universidad Politécnica Salesiana

Ingeniería Electrónica

Electrónica de Potencia

Sexto G2

RESUMEN. Diseñar y construir un inversor de voltaje DC-AC a partir de elementos disponibles en el mercado para encender una grabadora y una lámpara a 110/120 V.

INVERSOR.

ABTRACT. Design and build a power inverter DC-AC from items available in the market to turn a tape recorder and a lamp 110/120 V.

INVESTOR.

TITULOS DE CAPITULOS.

1. Inversores monofásicos.2. Inversores trifásicos.

INTRODUCCION. Los convertidores de DC a AC se conocen como inversores. La función de un inversor es cambiar un voltaje de entrada en DC a un voltaje simétrico de salida en AC, con la magnitud y frecuencia deseadas. En los inversores ideales, las formas de onda del voltaje de salida

deberían ser senoidales. Sin embargo, en los inversores reales no son senoidales y contienen ciertas armónicas.

El uso de los inversores es muy común en aplicaciones industriales tales (como la propulsión de motores de CA de velocidad variable, la calefacción por inducción, las fuentes de respaldo y las de poder, alimentaciones interrumpibles de potencia). La entrada puede ser una batería, una celda de combustible, una celda solar u otra fuente de CD. Las salidas monofásicas típicas son (1) 120V a 60 Hz, (2) 220V a 50 Hz y (3) 115V a 400Hz. Para sistemas trifásicos de alta potencia, las salidas típicas son (1) 220/380 V a 50 Hz, (2) 120/208 V a 60 Hz y (3) 115/200 V a 400 Hz.

1. Inversores monofásicos.

Los inversores de medio puente se corresponden con la topología básica de inversor de una pata analizado en la sección precedente, por lo que omitirá aquí su discusión.

Los inversores en puente completo (ver figura 4.12) consisten en dos inversores de una pata, y se emplean de forma generalizada en aplicaciones de alta potencia.

Para una misma tensión de entrada VD, la tensión de salida en un inversor en puente completo es el doble de la que se consigue con uno de medio puente. Por tanto, para el mismo nivel de potencia, la corriente de salida y las intensidades a través de los interruptores en un inversor en puente completo se reducen a la mitad de las obtenidas en uno de medio puente. Esta característica es determinante a alta potencia, ya que requiere menos interruptores en paralelo.

En esta sección se estudian los inversores de puente completo según diferentes formas de operación. Así, en primer lugar se presentan los inversores con conmutación por modulación de ancho de pulso PWM, ya sea mediante tensión bipolar o unipolar. A continuación se analizan los inversores de onda cuadrada y, por último, los que controlan la tensión de salida a través de la técnica de anulación de tensiones.

Control mediante PWM con conmutación de tensión bipolar

Como se introdujo en el capítulo 6 al analizar los convertidores cc-cc en puente completo, el control de la conmutación de los interruptores empleando la modulación de ancho de pulso mediante tensión bipolar se realiza por parejas de interruptores de signos opuestos y pertenecientes a patas contrarias. Así, los interruptores (TA+,TB-) forman una de las parejas y los interruptores (TA-,TB+) la otra.

Los interruptores pertenecientes a un mismo par se activan por una misma señal, esto es, los dos se abren y se cierran a la vez. Además, siempre que una pareja se encuentre activada, la otra permanecerá desactivada.

Con la conmutación mediante PWM, la forma de onda de la tensión de salida de la pata A coincide con la salida del convertidor básico de una pata analizado con anterioridad. Esta tensión de salida se obtiene de igual forma al comparar una señal triangular con una tensión de control, como muestra la figura 4.13-a.

Así:

(4.27)

de donde se deduce que la salida de la pata B y de la pata A son inversas:

(4.28)

y que la tensión de salida del inversor v0(t) es el doble de la obtenida en un inversor básico de una pata, como muestra la figura 4.13-b:

(4.29)

Al oscilar la tensión de salida entre los valores de VD y -VD, esto es, con doble polaridad, esta forma de conmutación mediante modulación de ancho de pulso se la denomina de tensión bipolar.

2. Inversores trifásicos.

Los inversores trifásicos se emplean en la alimentación de cargas trifásicas. Así, aplicaciones tales como fuentes ininterrumpidas de tensión alterna trifásica, accionamientos de motores de corriente alterna trifásicos y conexión de fuentes que producen enegía en continua (células fotovoltaicas) con las cargas trifásicas, utilizan este tipo de inversores.

Son dos las técnicas para alimentar una carga trifásica. En la primera de ellas, se emplean tres inversores monofásicos independientes, en el que cada uno de ellos produce una tensión de salida de frecuencia fundamental desplazada 120º respecto a la salida de los otros.

Aunque este montaje pueda resulta preferible en algunas aplicaciones, ofrece los siguientes inconvenientes:

Requiere un transformador trifásico a la salida, donde los arrollamientos del primario deben estar aislados entre sí y los del secundario pueden estar conectados bien en estrella o bien en triángulo (ver figura 4.22).

Este montaje requiere de 12 interruptores, con sus 12 diodos en antiparalelo asociados a éstos. Además, si las salidas de los tres inversores monofásicos no se encuentran perfectamente equilibradas en magnitud y en fase, las tensiones que alimentan a la carga se encontrarán desequilibradas.

El inversor trifásico que se emplea con mayor frecuencia es el representado en la figura 4.23. Este inversor consta de tres patas, una por cada fase, y donde cada una de ellas se corresponde con la configuración básica de inversores de una pata explicada en la sección 4.2.

Figura 4.23. Inversor trifásico.

La tensión de salida de cada una de las patas del inversor, por ejemplo la tensión vAN de la pata A,, únicamente depende de la tensión de entrada VDy del estado de los interruptores de esa pata, siendo independiente de la intendidad de salida si se considera que siempre uno de los interruptores se encontrará activado, esto es, se desprecia el blanking time o tiempo muerto y se asume la idealidad de los interruptores. Por tanto, bajo estas suposiciones, la tensión de salida de un inversor trifásico no depende ni de la magnitud ni de la dirección de i0.

Son dos los tipos de inversores trifásicos analizados en esta sección: los inversores trifásicos con conmutación por PWM por un lado, y los inversores trifásicos de onda cuadrada por otro. Ambos emplean como alimentación una fuente de tensión conmutada (VSI).

Inversor trifásico con conmutación mediante PWM

Al igual que los inversores monofásicos, en un inversor trifásico el objetivo del empleo de la modulación de ancho de pulso es modelar y controlar la tensión trifásica de salida en magnitud y frecuencia a partir de una tensión de entrada VD constante. Para conseguir a la salida un sistema de tensiones trifásico equilibrado empleando la conmutación PWM, una única onda triangular se compara con tres tensiones de control senoidales desfasadas entre sí 120º, como muestran las figuras 4.24 y 4.25-a.

Figura 4.24. Señal de control de cada una de las patas de un inversor trifásico.

METODOLOGIA.

1) 2 Transistores 2N3055.

2) 2 Resistencias de 330 Ohmios, 5 Watts.

3) 2 Capacitores de Poliester 22nF de 250V.

4) 1 Capacitor de 100nF de 400V.

5) Bateria 12V.

6) 1 Transformador 120V a 12V.

7) Switch.

RESULTADOS:

Al aplicar la tensión de alimentación (Vcc), los dos transistores iniciaran la conducción, ya que sus bases reciben un potencial positivo a través de las resistencias R1 y R2, pero como los transistores no serán exactamente idénticos, por el propio proceso de fabricación y el grado de impurezas del material semiconductor, uno conducirá antes o más rápido que el otro.

Supongamos que es Q2 el que conduce primero. En estas condiciones el voltaje en su colector estará próximo a 0 voltios, por lo que el C1 comenzará a cargarse a través de R1. Cuando el voltaje

en C1 alcance los 0,6 V, Q1 comenzará a conducir, pasando la salida a nivel bajo (tensión próxima a 0V). C-2, que se había cargado, se descargará ahora provocando el bloqueo de Q2.

C2 comienza a cargarse vía R2 y al alcanzar la tensión de 0,6 V provocará nuevamente la conducción de Q2, la descarga de C1, el bloqueo de Q1 y el pase a nivel alto (tensión próxima a Vcc (+) de la salida Y).

A partir de aquí la secuencia se repite indefinidamente, dependiendo los tiempos de conducción y bloqueo de cada transistor de las relaciones R1/C1 y R2/C2. Estos tiempos no son necesariamente iguales, por lo que pueden obtenerse distintos ciclos de trabajo actuando sobre los valores de dichos componentes.

L1

120VAC

TR1TRAN-2P3S

V112V

C122nF C2

22nF

C3

100nF

Q2

2N3055

Q1

2N3055

R1330R

R2330R

CONCLUSIONES.

El diseño de un inversor, implica mucho más que la generación de pulsos, es tan

importante la parte de potencia, los circuitos auxiliares, circuitos de monitoreo y sobre

todo el acoplamiento de todas estas partes, constituye un trabajo que requiere mucho

cuidado ya que se trabaja con voltajes elevados que generan problemas, principalmente

de ruidos, descargas estáticas, aislamientos, etc.

Debido a que en el inversor se usa un rectificador no controlado con filtro de entrada, el

voltaje prácticamente no se distorsiona, pero la corriente de entrada es distorsionada

debido a la presencia del filtro de entrada capacitivo, siendo en este caso necesario el uso

de inductancias en la entrada del inversor para suavizar los picos de corriente.

El rango de variación de la velocidad es mayor si se escoge variar la frecuencia, mientras

que la variación del índice de modulación representa un menor rango de variación de

velocidad.

RECOMENDACIONES.

Es de suma importancia seguir los pasos del proceso de diseño y construcción del

convertidor controlado DC-AC, se pudo comprobar que el diseño es algo muy simple a

nivel teórico pero a la hora de implementarlo en la práctica es más complicado de lo que

parece.

Es necesario un aislamiento entre el circuito de potencia y el circuito electrónico.

BIBLIOGRAFIA.

Libros:

Rashid, Muhammad. “Electrónica de Potencia”, 3era edición, Pearson Educación, México, 2004.

Páginas web:

http://www.electronica2000.com/inversores/inversores.htm

http://catarina.udlap.mx/u_dl_a/tales/documentos/meie/ortega_g_d/capitulo1.pdf

http://gemini.udistrital.edu.co/comunidad/profesores/jruiz/jairocd/texto/circuitos/ao/

diseno.pdf

http://www.itescam.edu.mx/principal/sylabus/fpdb/recursos/r73657.PDF