Inversor PWM

Inversor PWM

1 INTRODUCCION

Los inversores cd−ca se emplean en fuentes de energía ininterrumpida y controles de velocidad para motores de ca. Esto se aplica en el control de la magnitud y la frecuencia de la señal de salida. En la mayor parte del tiempo, el flujo de potencia se da desde el lado de cd hacia el lado de ca, requiriendo una operación en modo inversor, lo cual más comúnmente es conocido como inversor controlado.

Los inversores controlados son de dos tipos: los VSI o inversores fuente de voltaje y los CSI o inversores fuente de corriente. En nuestro caso, el primer tipo será motivo de atención debido a su mayor aplicación dentro de la ingeniería industrial. Existen tres categorías en las que se dividen los VSI, ellas son:

Los inversores PWM o de ancho de pulso modulado. Este tipo es capaz de controlar la magnitud y frecuencia de la señal de salida mediante la modulación del ancho del pulso de los interruptores del inversor. Para ello existen varios esquemas que se encargan de producir voltajes de ca con forma de onda seno y bajo contenido de armónicos.

a) Los inversores de onda cuadrada. Este tipo controla la frecuencia de la señal de salida y la magnitud de salida es controlada por otro dispositivo en la entrada cd del inversor. Sin embargo, la forma de onda lograda a través del mismo es una onda cuadrada.

b) Los inversores monofásicos con inversión de voltaje. Este tipo combina las características de las dos primeras agrupaciones de inversores mencionados y no es aplicable a dispositivos trifásicos

2 CONCEPTOS BASICOS

Los inversores controlados son en realidad convertidores de cuatro cuadrantes, es decir, el flujo de potencia instantánea (Po= Vo Io) durante dos intervalos no continuos de cuatro posibles viaja del lado de cd al lado de ca correspondiéndole un modo de operación de inversor. Sin embargo, durante los dos intervalos restantes no continuos, la potencia instantánea fluye del lado de ca al lado de cd, lo cual corresponde a un modo de operación de rectificador. Las variables empleadas para detectar dicho comportamiento son las correspondientes a la salida del inversor Vo e Io, como se aprecia en la siguiente gráfica:

2.1 Funcionamiento Básico De Un PWM

Con el propósito de obtener una señal de voltaje a la salida del inversor con la frecuencia deseada, se compara una señal de control senoidal a la frecuencia deseada con una señal de onda triangular. La frecuencia de la onda triangular corresponde a la frecuencia de interrupción del inversor y por lo general se mantiene constante. La frecuencia de la señal de control es conocida como la frecuencia modulante, mientras que la frecuencia de interrupción es conocida como frecuencia de acarreo. La señal de control se utiliza para modular la razón de servicio del interruptor. De lo anterior, se desprende que en la señal de salida es inevitable la presencia de armónicos y por tanto existen ciertas desviaciones de la señal de onda seno según nuestro interés

La razón de modulación de la amplitud ma se verifica por la fórmula:

Vseno: amplitud pico de la señal de control

Vtri: amplitud pico de la señal triangular.

La razón de modulación de la frecuencia mf se describe por la siguiente fórmula:

Fseno: frecuencia de conmutación en los interruptores

Ftri: frecuencia modulante.

Los voltajes de salida que se obtienen dependen de la comparación de las señales y de la condición de los interruptores como se muestra a continuación:

Cuando Vcontrol > Vtri y S1 está encendido, entonces Vo= Vcc/2,

Cuando Vcontrol < Vtri y S2 está encendido, entonces Vo= −Vcc/2,

Para este inversor PWM no es posible obtener condiciones de encendido simultáneo en los interruptores S1 y S2 y su voltaje siempre oscilará entre Vcc/2 y −Vcc/2. El espectro de sus armónicas presenta las siguientes características:

a) El valor pico a la frecuencia fundamental es un múltiplo de Vcc/2, donde el factor de multiplicación es la razón de modulación de las amplitudes. Sin embargo, esto solo es cierto para ma < 1.0 tal como lo indica la siguiente ecuación:

b) Las armónicas se identifican como anchos de banda muy cerca y alrededor de la frecuencia de acarreo como los múltiplos de ésta, siempre y cuando se respete la condición ma < 1.0 como lo indican las siguientes tablas:

Donde el orden de la armónica se obtiene por: h = j*mf ± k

 h: orden la armónica deseada

 j: tiempo al que ocurre la armónica

 mf: razón de modulación de la frecuencia

 k: k−ésimo ancho de banda a izquierda y derecha. Es posible determinar la frecuencia armónica utilizando la fórmula a continuación: fh = (j*mf ± k)* f1

 f1: la frecuencia de la componente fundamental de la señal de voltaje.

c) La razón de modulación de la frecuencia debe tener un valor entero impar, puesto que las armónicas impares están presentes en la señal de salida y las armónicas pares desaparecen.

Las frecuencias de interrupción no pueden ser tan altas porque tienen el inconveniente de incrementar proporcionalmente las pérdidas por interrupción dentro del inversor. Esto se evita seleccionando frecuencias de interrupción por debajo de 6kHz o por arriba de 20KHz al rango audible. En las aplicaciones de 50 o 60Hz, donde se requieren frecuencia de salida en el inversor de 200Hz, se seleccionan razones de modulación menores que 9 para frecuencias de interrupción menores de 2kHz, mientras que valores mayores de 100 son típicos a frecuencias de interrupción por arriba de 20KHz.

Las relaciones entre la señal triangular y la señal de control dependen del valor correspondiente de mf. Si dicho valor es muy pequeño (mf < 21), se requiere la sincronización de las señales adoptando un entero impar para mf y pendientes de polaridad opuesta al coincidir en el cruce por el cero para ambas señales. Por otro lado, si el valor es grande (mf > 21), entonces debemos evitar emplear PWM asíncronos porque los subarmónicos de secuencia cero provocan grandes corrientes, a pesar de que su magnitud es pequeña.

2.1.1 La Sobremodulación

Para incrementar la amplitud máxima disponible a la componente de frecuencia fundamental en el voltaje de salida, la razón de modulación de la amplitud se lleva más allá de uno, a lo cual se le denomina sobremodulación. Esto causa un mayor contenido de armónicos

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