Inversores trifásicos

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. Tanto el voltaje de salida como la frecuencia pueden ser fijos o variables.

FUNDAMENTOS TEÓRICOS DE LOS CONVERTIDORES DEPOTENCIA 16

En los inversores reales, las formas de onda del voltaje de salida no son senoidales y contienen ciertas armónicas. Para aplicaciones de mediana y baja potencia, se pueden aceptar los voltajes de onda cuadrada o casi cuadrada; para aplicaciones de alta potencia, son necesarias las formas de onda senoidales de baja distorsión. Dada la disponibilidad de los dispositivos semiconductores de potencia de alta velocidad, es posible minimizar o reducir significativamente el contenido armónico del voltaje de salida mediante las técnicas de conmutación. [12]

El principio de operación que rige un inversor puede clasificarlo así:

 De fuente de tensión (VSI).

 De fuente de corriente (CSI).

Las aplicaciones destinadas al principio de operación en fuente de tensión se reservan para aplicaciones en baja y mediana potencia y tienen que ver con cargas cuya regulación de voltaje debe ser óptima y donde se debe garantizar el nivel de tensión exacto requerido; mientras que la segunda, se usan en sistemas de alta potencia y va dirigida a las cargas donde la corriente debe ser mantenida dentro de ciertos límites; este caso se presenta generalmente en las máquinas rotativas como los motores de inducción. [19]

1.3.1 Inversor trifásico de fuente de tensión

Los VSI monofásicos cubren aplicaciones de potencia de gama baja y los VSI de tres fases cubren las aplicaciones desde media hasta alta potencia. El propósito principal de estas topologías es proveer una fuente de voltaje trifásica, donde la amplitud, fase y frecuencia de los voltajes siempre puedan ser controlables.

La topología VSI estándar de tres fases es mostrada en la figura 1.5. De la misma forma que en los VSI monofásicos, los interruptores de cualquier posición del inversor (1 y 4, 3 y 6, o 5 y 2) no pueden ser conectados simultáneamente, porque esto daría como resultado un corto circuito a través del suministro de voltaje del enlace de DC. De modo semejante, para evitar los estados indefinidos en el VSI y de esa manera voltajes de línea a la salida indefinidos, los interruptores de cualquier posición del inversor no pueden ser

FUNDAMENTOS TEÓRICOS DE LOS CONVERTIDORES DEPOTENCIA 17

desconectados simultáneamente, de lo contrario esto resultará en voltajes que dependerán de la polaridad de la corriente de línea respectiva. [9, 12]

Figura 1.5 Inversor trifásico de fuente de voltaje en puente.

Para generar una forma de onda dada de voltaje, el inversor debe maniobrar los interruptores de un estado a otro, por lo que los voltajes de línea resultantes consisten en valores discretos de voltajes que son 𝑣𝑖, 0, y −𝑣𝑖 para la topología

mostrada en la figura 1.5. La selección de los estados para generar la forma de onda deseada, se realiza mediante las técnicas de modulación de ancho de pulso las cuales aseguran el uso de los estados válidos. [6]

1.3.1.1 Conducción a 180°

Cada transistor conducirá durante 180°. Tres transistores se mantienen activos durante cada instante del tiempo. En cada ciclo existen seis modos de operación, cuya duración es de 60°. Los transistores se enumeran según su secuencia de excitación (por ejemplo 123, 234, 345, 456, 561, 612 (figura 1.5)). Las señales de excitación están desplazadas 60° unas de otras para obtener voltajes trifásicos balanceados a partir del armónico fundamental. [7, 11]

La carga puede conectarse en estrella o en delta. En el caso de una carga conectada en delta, las componentes de fase se obtienen directamente de los voltajes línea a línea; una vez que se conocen las corrientes de fase, pueden determinarse las corrientes de línea. En caso de una carga conectada en estrella, los voltajes de línea a neutro deben determinarse a fin de encontrar las corrientes de línea o de fase. [7]

FUNDAMENTOS TEÓRICOS DE LOS CONVERTIDORES DEPOTENCIA 18

1.3.1.2 Conducción a 120°

En este tipo de control, cada transistor conduce durante 120° y en cualquier instante de tiempo, sólo conducen dos transistores. La secuencia de conducción de los transistores es 61, 12, 23, 34, 45, 56, 61(figura1.5) y existen tres modos de operación en un medio ciclo. [7, 11]

1.3.2 Inversor de fuente de corriente

En este tipo de inversores la alimentación consiste en una fuente de corriente, de forma tal que la corriente de salida se mantiene constante independientemente de la carga, siendo la tensión de la salida la que se vea forzada a cambiar.

El inversor de fuente de corriente (figura 1.6) genera una forma de onda de corriente alterna compuesta de valores discretos (elevado di/dt); por consiguiente, la carga debería ser capacitiva a las frecuencias de los armónicos con el propósito de producir una forma de onda de voltaje lo más alisada posible. Por otra parte una carga inductiva en un CSI generará picos en la onda de voltaje; si este es el caso, un filtro capacitivo debe ser colocado entre la salida del CSI y la carga.

Figura 1.6 Inversor trifásico de fuente de corriente.

Con el objetivo de garantizar una señal apropiada de compuerta a los dispositivos de potencia de un CSI trifásico, dos restricciones principales siempre deben ser cumplidas: (1) el lado de AC es ante todo capacitivo, de ese modo, no debe ser cortocircuitado, lo que implica que a lo sumo uno de los interruptores superiores (1, 3, ó 5) y uno de los interruptores inferiores (4, 6, ó 2), en la figura 1.6 deberán estar cerrados en cualquier momento y (2) el bus

FUNDAMENTOS TEÓRICOS DE LOS CONVERTIDORES DEPOTENCIA 19

de DC es del tipo de fuente de corriente y por lo tanto no puede ser abierto; por consiguiente, deben haber al menos un interruptor superior (1, 3, ó 5) y un interruptor inferior (4, 6, ó 2) cerrado en todo momento. Ambas restricciones pueden estar resumidas manifestando que en cualquier momento, sólo un interruptor superior y un interruptor inferior deben estar cerrados. [9]

Para generar un conjunto dado de formas de onda de corrientes alternas, el inversor debe moverse de un estado a otro y así las corrientes resultantes de la línea, consisten en valores discretos de corriente que van desde 𝑖𝑖 a 0 y

hasta −𝑖𝑖. La selección de los estados, con el fin de generar las formas de

onda, es efectuada mediante una técnica de modulación que debe asegurar el uso de los estados válidos únicamente. [6]

Aunque los CSI monofásicos puedan de la misma manera que las topologías de CSI trifásicos, desarrollarse bajo principios similares, sólo las aplicaciones de tres fases han demostrado ser de utilidad práctica.