- Funcionamiento del inversor trifásico
- A) Inversor trifásico: modo de conducción de 180 grados
- A) Inversor trifásico: modo de conducción de 120 grados
Todos conocemos el inversor: es un dispositivo que convierte CC en CA. Y anteriormente aprendimos sobre los diferentes tipos de inversores y construimos un inversor monofásico de 12v a 220v. Un inversor trifásico convierte el voltaje de CC en un suministro de CA trifásico. Aquí, en este tutorial, aprenderemos sobre el inversor trifásico y su funcionamiento, pero antes de continuar, echemos un vistazo a las formas de onda de voltaje de la línea trifásica. En el circuito anterior, una línea trifásica está conectada a una carga resistiva y la carga extrae energía de la línea. Si dibujamos las formas de onda de voltaje para cada fase, tendremos un gráfico como se muestra en la figura. En el gráfico, podemos ver que tres formas de onda de voltaje están desfasadas entre sí en 120º.
En este artículo, analizaremos el circuito inversor trifásico que se utiliza como convertidor de CC a CA trifásico. Recuerde que, incluso en la actualidad, lograr una forma de onda completamente sinusoidal para cargas variables es extremadamente difícil y no es práctico. Entonces, aquí discutiremos el funcionamiento de un circuito convertidor trifásico ideal sin tener en cuenta todos los problemas relacionados con el inversor trifásico práctico.
Funcionamiento del inversor trifásico
Ahora echemos un vistazo al circuito inversor trifásico y su forma simplificada ideal.
A continuación se muestra un diagrama de circuito inversor trifásico diseñado con tiristores y diodos (para protección contra picos de voltaje)
Y a continuación se muestra un diagrama de circuito inversor trifásico diseñado utilizando solo interruptores. Como puede ver, esta configuración de seis interruptores mecánicos es más útil para comprender el funcionamiento del inversor trifásico que el engorroso circuito de tiristores.
Lo que haremos aquí es abrir y cerrar simétricamente estos seis interruptores para obtener la salida de voltaje trifásico para la carga resistiva. Hay dos formas posibles de accionar los interruptores para lograr el resultado deseado, una en la que los interruptores conducen 180º y otra en la que los interruptores solo conducen 120º. Analicemos cada patrón a continuación:
A) Inversor trifásico: modo de conducción de 180 grados
El circuito ideal se dibuja antes de que pueda dividirse en tres segmentos, a saber, segmento uno, segmento dos y segmento tres, y los usaremos en notación en la sección posterior del artículo. El segmento uno consta de un par de conmutadores S1 y S2, el segmento dos consta de un par de conmutadores S3 y S4 y el segmento tres consta de un par de conmutadores S5 y S6. En un momento dado, ambos interruptores del mismo segmento nunca deben cerrarse, ya que esto provoca que los cortocircuitos de la batería fallen en toda la configuración, por lo que este escenario debe evitarse en todo momento.
Ahora comencemos la secuencia de conmutación cerrando el interruptor S1 en el primer segmento del circuito ideal y nombremos el inicio como 0º. Dado que el tiempo de conducción seleccionado es de 180º, el interruptor S1 se cerrará de 0º a 180º.
Pero después de 120º de la primera fase, la segunda fase también tendrá un ciclo positivo como se ve en el gráfico de voltaje trifásico, por lo que el interruptor S3 se cerrará después de S1. Este S3 también se mantendrá cerrado otros 180º. Entonces S3 estará cerrado de 120º a 300º y estará abierto solo después de 300º.
Asimismo, la tercera fase también tiene un ciclo positivo después de 120º de ciclo positivo de la segunda fase, como se muestra en el gráfico al inicio del artículo. Por lo tanto, el interruptor S5 se cerrará después de 120º S3 cerrado, es decir, 240º. Una vez cerrado el interruptor se mantendrá cerrado por avanzar 180º antes de abrirse, con lo que el S5 se cerrará de 240º a 60º (segundo ciclo).
Hasta ahora, todo lo que hicimos fue asumir que la conducción se realiza una vez que los interruptores de la capa superior están cerrados, pero para el flujo de corriente desde el circuito debe completarse. Además, recuerde que ambos interruptores en el mismo segmento nunca deben estar cerrados al mismo tiempo, por lo que si un interruptor está cerrado, otro debe estar abierto.
Para satisfacer las dos condiciones anteriores , cerraremos S2, S4 y S6 en un orden predeterminado. Entonces, solo después de que se abra S1, tendremos que cerrar S2. De manera similar, S4 se cerrará después de que S3 se abra a 300º y de la misma manera S6 se cerrará después de que S5 complete el ciclo de conducción. Este ciclo de conmutación entre conmutadores del mismo segmento se puede ver en la figura siguiente. Aquí S2 sigue a S1, S4 sigue a S3 y S6 sigue a S5.
Siguiendo esta conmutación simétrica podemos lograr el voltaje trifásico deseado representado en el gráfico. Si completamos la secuencia de conmutación inicial en la tabla anterior, tendremos un patrón de conmutación completo para el modo de conducción de 180º como se muestra a continuación.
De la tabla anterior podemos entender que:
De 0 a 60: S1, S4 y S5 están cerrados y los tres interruptores restantes están abiertos.
De 60-120: S1, S4 y S6 están cerrados y los tres interruptores restantes están abiertos.
De 120-180: S1, S3 y S6 se cierran y los tres interruptores restantes se abren.
Y la secuencia de cambio continúa así. Ahora dibujemos el circuito simplificado para cada paso para comprender mejor el flujo de corriente y los parámetros de voltaje.
Paso 1: (para 0-60) S1, S4 y S5 están cerrados mientras que los tres interruptores restantes están abiertos. En tal caso, el circuito simplificado puede ser como se muestra a continuación.
Entonces, de 0 a 60: Vao = Vco = Vs / 3; Vbo = -2Vs / 3
Al usarlos, podemos derivar los voltajes de línea como:
Vab = Vao - V bo = Vs Vbc = Vbo - Vco = -Vs Vca = Vco - Vao = 0
Paso 2: (de 60 a 120) S1, S4 y S6 están cerrados mientras que los tres interruptores restantes están abiertos. En tal caso, el circuito simplificado puede ser como se muestra a continuación.
Entonces, de 60 a 120: Vbo = Vco = -Vs / 3; Vao = 2Vs / 3
Al usarlos, podemos derivar los voltajes de línea como:
Vab = Vao - Vbo = Vs Vbc = Vbo - Vco = 0 Vca = Vco - Vao = -Vs
Paso 3: (de 120 a 180) S1, S3 y S6 están cerrados mientras que los tres interruptores restantes están abiertos. En tal caso, el circuito simplificado se puede dibujar como se muestra a continuación.
Entonces, de 120 a 180: Vao = Vbo = Vs / 3; Vco = -2Vs / 3
Al usarlos, podemos derivar los voltajes de línea como:
Vab = Vao - V bo = 0 Vbc = Vbo - Vco = Vs Vca = Vco - Vao = -Vs
De manera similar, podemos derivar los voltajes de fase y los voltajes de línea para los siguientes pasos en la secuencia. Y se puede mostrar como la figura que se muestra a continuación:
A) Inversor trifásico: modo de conducción de 120 grados
El modo de 120º es similar a 180º en todos los aspectos excepto que el tiempo de cierre de cada interruptor se reduce a 120, que antes eran 180.
Como de costumbre, comencemos la secuencia de conmutación cerrando el interruptor S1 en el primer segmento y colocando el número de inicio en 0º. Dado que el tiempo de conducción seleccionado es 120º el interruptor S1 se abrirá después de 120º, por lo que el S1 se cerró de 0º a 120º.
Dado que el semiciclo de la señal sinusoidal va de 0 a 180º, durante el tiempo restante S1 estará abierto y está representado por el área gris de arriba.
Ahora, después de 120º de la primera fase, la segunda fase también tendrá un ciclo positivo como se mencionó anteriormente, por lo que el interruptor S3 se cerrará después de S1. Este S3 también se mantendrá cerrado durante otros 120º. Entonces S3 se cerrará de 120º a 240º.
Asimismo, la tercera fase también tiene un ciclo positivo después de 120º del ciclo positivo de la segunda fase, por lo que el interruptor S5 se cerrará después de 120º del cierre S3. Una vez cerrado el interruptor, se mantendrá cerrado por venir 120º antes de abrirse y con eso, el interruptor S5 se cerrará de 240º a 360º
Este ciclo de conmutación simétrica continuará para lograr el voltaje trifásico deseado. Si completamos la secuencia de conmutación inicial y final en la tabla anterior, tendremos un patrón de conmutación completo para el modo de conducción de 120º como se muestra a continuación.
De la tabla anterior podemos entender que:
De 0 a 60: S1 y S4 están cerrados mientras que los interruptores restantes están abiertos.
De 60 a 120: S1 y S6 están cerrados mientras que los interruptores restantes están abiertos.
De 120-180: S3 y S6 están cerrados mientras que los interruptores restantes están abiertos.
De 180 a 240: S2 y S3 están cerrados mientras que los interruptores restantes están abiertos
De 240-300: S2 y S5 están cerrados mientras que los interruptores restantes están abiertos
De 300-360: S4 y S5 están cerrados mientras que los interruptores restantes están abiertos
Y esta secuencia de pasos continúa así. Ahora dibujemos el circuito simplificado para cada paso para comprender mejor el flujo de corriente y los parámetros de voltaje del circuito inversor trifásico.
Paso 1: (para 0-60) S1, S4 están cerrados mientras que los cuatro interruptores restantes están abiertos. En tal caso, el circuito simplificado se puede mostrar a continuación.
Entonces, de 0 a 60: Vao = Vs / 2, Vco = 0; Vbo = -Vs / 2
Al usarlos, podemos derivar los voltajes de línea como:
Vab = Vao - V bo = Vs Vbc = Vbo - Vco = -Vs / 2 Vca = Vco - Vao = -Vs / 2
Paso 2: (de 60 a 120) S1 y S6 están cerrados mientras que los interruptores restantes están abiertos. En tal caso, el circuito simplificado se puede mostrar a continuación.
Entonces, de 60 a 120: Vbo = 0, Vco = -Vs / 2 & Vao = Vs / 2
Al usarlos, podemos derivar los voltajes de línea como:
Vab = Vao - Vbo = Vs / 2 Vbc = Vbo - Vco = Vs / 2 Vca = Vco - Vao = -Vs
Paso 3: (de 120 a 180) S3 y S6 están cerrados mientras que los interruptores restantes están abiertos. En tal caso, el circuito simplificado se puede mostrar a continuación.
Entonces, de 120 a 180: Vao = 0, Vbo = Vs / 2 y Vco = -Vs / 2
Al usarlos, podemos derivar los voltajes de línea como:
Vab = Vao - V bo = -Vs / 2 Vbc = Vbo - Vco = Vs Vca = Vco - Vao = -Vs / 2
De manera similar, podemos derivar los voltajes de fase y los voltajes de línea para los próximos pasos. Y si dibujamos un gráfico para todos los pasos, obtendremos algo como a continuación.
Puede verse en los gráficos de salida de los casos de conmutación de 180º y 120º que hemos logrado una tensión trifásica alterna en los tres terminales de salida. Aunque la forma de onda de salida no es una onda sinusoidal pura, se parece a la forma de onda de voltaje trifásico. Este es un circuito ideal simple y una forma de onda aproximada para comprender el funcionamiento del inversor trifásico. Puede diseñar un modelo de trabajo basado en esta teoría utilizando tiristores, circuitos de conmutación, control y protección.