Electrónica de Potencia

1. 5.1 Inversores y Cicloconvertidores por
modulación de ancho de pulso

2. 
Inversores

3. Los convertidores de cd a ca se conocen como inversores. La
función de un inversor es cambiar un voltaje de entrada en cd a
un voltaje simétrico de salida en ca, con la magnitud y
frecuencia deseadas tanto el voltaje de salida como la
frecuencia pueden ser fijos o variables, si se modifica el voltaje
de entrada de cd y la ganancia del inversor se mantiene
constante, es posible obtener un voltaje variable de salida.

4. Por otra parte, si el voltaje de entrada en cd es fijo y no es
controlable, se puede obtener un voltaje de salida variable si se
varia la ganancia del inversor; esto por lo general se hace
controlando la PWM dentro del inversor.
La ganancia del inversor se puede definir como la relación entre
el voltaje de salida en ca y el voltaje de entrada en cd.

5. 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. 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.

6. Los inversores se pueden clasificar básicamente en dos tipos:
• Inversores monofásicos
• Inversores trifásicos
Cada tipo puede utilizar dispositivos con activación y
desactivación controlada (es decir BJT, MOSFET, IGBT, MCT,
SIT, GTO) o tiristores de conmutación forzada, según la
aplicación.

7. Un inversor se llama inversor alimentado por voltaje (VFI) si el
voltaje de entrada se conserva constante, inversor alimentado
por corriente (CFI) si la corriente de entrada se conserva
constante; e inversor enlazado en cd variable si el voltaje de
entrada es controlable.

9. Principio de operación
El circuito inversor está formado por dos pulsadores (a).
Cuando sólo el transistor Q1 está activo durante el tiempo
T0/2, el voltaje instantáneo a través de la carga v0 es Vs/2. si
sólo el transistor Q2 está activo durante un tiempo T0/2,
aparece el voltaje –Vs/2 a través de la carga.

10. El circuito lógico debe diseñarse de tal forma que Q1 y Q2 no
estén activos simultáneamente. La figura (b) muestra las formas
de onda para los voltajes de salida y las corrientes de los
transistores en el caso de una carga resistiva. Este inversor
requiere de una fuente de cd de tres conductores, cuando un
transistor está inactivo, su voltaje inverso es Vs, en ves de Vs/2.
Este inversor se conoce como inversor de medio puente.

17. Factor de distorsión DF. El valor THD proporcione el contenido
armónico total, pero no indica el nivel de cada uno de sus
componentes. Si en la salida de los inversores se utiliza un
filtro, las armónicas de orden más alto se atenuaran con mayor
eficacia. Por lo tanto, resulta importante conocer tanto la
frecuencia como la magnitud de cada componente.

20. Ejemplo:
Un inversor monofásico de medio puente como el de la figura
tiene una carga resistiva R=2.4 ohm y un voltaje de entrada en
cd Vs= 48V. Determine (a) el voltaje rms de salida a la
frecuencia fundamental V1, (b) la potencia de salida P0, (c) las
corrientes promedio y de pico de cada transistor, (d) el voltaje
de bloqueo inverso pico Vbr de cada transistor, (e) la distorsión
armónica total THD, (f) el factor de distorsión DF.

21. 
Cicloconvertidores

22. Los controladores de voltaje de ca (Los convertidores de ca a ca),
proporcionan un voltaje eficaz de salida variable, pero la
frecuencia se mantiene constante. Tienen alto contenido de
armónicas especialmente con valores bajos de voltaje.
Por otra parte, existen aplicaciones para los convertidores de ca
en donde además de la exigencia de variar el voltaje de salida,
también es necesario variar la frecuencia.

23. Por ejemplo para variar la velocidad de los motores de ca, una
de las variables del control, es la frecuencia del voltaje de
alimentación. Se puede obtener un voltaje eficaz variable, con
una frecuencia variable, mediante conversiones en dos etapas:
• Una primera conversión de ca de frecuencia constante en
voltaje continuo variable, mediante rectificador controlado.
• La segunda conversión, el voltaje continuo variable a la salida
del rectificador, se lo convierte en voltaje de alterna, con
frecuencia variable, mediante un inversor. También se puede
utilizar la combinación de un rectificador no controlado con
un inversor con PWM, en sus distintas variantes.

24. Con los cicloconvertidores, es posible eliminar la necesidad de
uno o mas convertidores intermedios.
Un cicloconvertidor es un cambiador directo de frecuencias,
que convierte corriente alterna con una determinada frecuencia,
en corriente alterna con otra frecuencia, en una conversión ca a
ca sin un enlace intermedio de conexión.

25. La mayor parte de los cicloconvertidores tienen conmutación
natural, y la frecuencia máxima de salida se limita a un valor
que solo es una fracción de la frecuencia de la fuente.
En consecuencia, las aplicaciones principales de los
cicloconvertidores son en excitadores de motores de ca de
velocidad, hasta 15.000 KW, con frecuencias de 0 a 20 Hz.

26. Principio de funcionamiento de los cicloconvertidores
monofásicos:

28. Como vemos tenemos dos rectificadores controlados en puente
T1, T2, T3, T4 y T1’, T2’, T3’ T4’, con sus salidas conectadas en
extremos opuestos de la carga, para suministrar voltajes en
oposición.
Durante el primer periodo (To/2) de la frecuencia de salida,
solamente esta activo el primer rectificador controlado,
suministrando una tensión positiva a la carga.

29. Durante el segundo periodo, se desactiva el primer rectificador
y se activa el segundo, suministrando una tensión negativa a la
carga. Los pulsos de disparo a los tiristores, se realizan de tal
manera que ambos rectificadores suministren el mismo voltaje
pero en oposición, por la forma como están conectados.
Vo1 = -Vo2.

30. Cicloconvertidores trifásicos

32. El esquema anterior muestra un ciclo convertidor trifásico /
monofásico. Para ello se utiliza dos rectificadores controlados
conectados en oposición, en los extremos de la carga.
La síntesis de la forma de onda corresponde para una
frecuencia de salida de 12 Hz, para una frecuencia de la tensión
trifásica de 60 Hz. El rectificador controlado positivo, cuando
esta activado, suministra el semiciclo positivo de la tensión de
salida, mientras que el otro, suministra el semiciclo negativo.

33. Para el control de grandes motores de ca, se requiere un voltaje
de alimentación trifásico con frecuencia variable. Para ello, el
cicloconvertidor anterior se puede ampliar para dar una salida
trifásica, teniendo mediante 6 rectificadores controlados.
Si utilizamos rectificadores controlados trifásicos de media
onda, se requerirán 18 tiristores y si utilizamos rectificadores
controlados en puente, necesitaremos 36 tiristores. La estrategia
de control deberá ser tal que en cada fase se suministre una
tensión alterna sin componente continua y a su vez el defasaje
entre fases sea de 120º.