Diseño y construcción de un inversor monofásico en puente completo

Diseño y construcción de un inversor monofásico en puente completo

Jhoselin Nicols Astaiza Torres*. Karol Stephany Insuasty Mejía**.

María Camila Bolaños Fernández***.[pic 1]

* jhoselin.astaiza@correounivalle.edu.co

* *karol.insuasty@correounivalle.edu.co

* **maria.camila.bolanos@correounivalle.edu.co

[pic 2]

Abstract Throughout the document, the design and simulation of a single-phase, full-bridged inverter to supply an AC load is presented, using MOSFETs as switches and a bipolar modulator for the generation of the control PWM signal, as well as the typical system loop, the selection of commercial components and some of the real applications of said inverter.

Key words switches, inverter,PWM,

[pic 3]

[pic 4]1.INTRODUCCIÓN

Los inversores son circuitos que permiten convertir corriente continua CC en corriente o voltaje alterna(o) AC. Dependiendo de los objetivos a desarrollar pueden configurarse de diferentes maneras como inversores trifásicos, inversores de frecuencia fija o variable, inversores de tensión fija o variable y finalmente inversores monofásicos, este último es el que se va a trabajar a lo largo del documento.

Para lograr la señal es necesario un conjunto de interruptores, en este caso dispositivos semiconductores MOSFET que puedan trabajar en región de corte y región óhmica de manera que se comporten como un interruptor, para lograr que la señal se alterne entre positiva y negativa.

1. CONTEXTO DEL PROBLEMA

Dentro de las aplicaciones reales que se le dan a los inversores monofásicos están los sistemas de alimentación ininterrumpida (SAI) , éstos sistemas fueron diseñados por la necesidad de proteger diferentes equipos, datos y procesos cruciales de empresas que se puedan ver afectados por las interferencias provenientes de la red de alimentación tales como sobretensiones, apagón eléctrico, corrientes parásitas y armónicas, etc [1]; algunos de los diseños más comunes de los SAI son diseño off line en el cual el sistema sólo interviene en ausencia de tensión de entrada alimentando el inversor

con baterías, el diseño line interactive posee adicional al anterior un circuito de filtración y estabilización y por último el diseño on line de doble conversión el cual posee una forma de onda de salida completamente diferente a la de la entrada a diferencia de los dos casos anteriores, puesto que antes de llegar a la etapa de inversión pasa por un bloque rectificador. Por otra parte, éste tipo de inversores se usan para el diseño de los actuadores en motores de corriente alterna ya que permiten variar la tensión y la frecuencia de los mismos, un ejemplo típico en la industria es en la rama de conversión donde se utilizan reprocesadoras las cuales usan máquinas que rebobinan rollos de papel, este equipo usa como motor principal un motor de corriente alterna el cual usa un inversor para controlar la velocidad de línea. Por último para una instalación fotovoltaica para una vivienda se usa un inversor, el cual permite la conversión de corriente continua (DC) generada en los paneles solares en corriente alterna (AC) para que pueda ser empleada por los receptores y electrodomésticos empleados en la vivienda, en otras palabras el inversor garantiza la calidad de la energía vertida en la instalación eléctrica de la vivienda sincronizando la frecuencia de corriente inyectada con la de la red, además la adapta a las condiciones requeridas según el tipo de carga [2].

1. DISEÑO DEL CONVERTIDOR

A continuación se presentará el diseño del convertidor monofásico de puente completo que cumple con las siguientes especificaciones:

• Voltaje de entrada: 24 Vdc.
• Voltaje de salida: entre 15 V y 22 V eficaces.
• Corriente de salida: entre 0 y 1 A.

Cabe aclarar que para la modulación bipolar los dispositivos semiconductores MOSFET, usados como interruptores, solo tienen dos posibles combinaciones.

1. M1, M4 cerrados y M2, M3 abiertos.
2. M2,M3 cerrados y M1,M4 abiertos.

Como señales de control se tiene a ma y mf , donde ma

, corresponde al índice de modulación de amplitud dado por la ecuación (3)

|V sen|[pic 5][pic 6]

[pic 7]

|V tri|

Para esta topología de puente completo se maneja 0 < ma ≤ 1 , pues con valores de ma < 1, la amplitud de la frecuencia fundamental del voltaje de salida, es linealmente proporcional a ma .

Figura 1. Diagrama circuital de un inversor monofásico de puente completo con un filtro LC.

V 1 = ma * V cc

(4)

1. SEÑAL DE CONTROL MODULACIÓN BIPOLAR.

Como la señal de salida del circuito debe ser una onda sinusoidal variable entre 15 V y 22 V se hace uso de la modulación PWM, pues la amplitud del voltaje de salida se puede variar por medio de la amplitud de la onda moduladora que en este caso será una onda sinusoidal.

Para este caso, se escogió la conmutación bipolar, pues permite hacer la comparación entre dos señales, una moduladora (sinusoidal) de amplitud variable y frecuencia fija de 60Hz y una portadora (triangular) de magnitud 1Vp y frecuencia de conmutación la cual es la que hace que los MOSFET cambien de estado.

El principio de funcionamiento de un conmutador bipolar es el siguiente:

Cuando el valor instantáneo de la señal de referencia (onda seno) es mayor que el valor de la portadora (onda triangular), la salida es + V cc , por otro lado, cuando el valor instantáneo de la referencia (onda seno) es menor que el valor de la portadora (onda triangular), la salida es

− V cc , tal y como lo muestra la ecuación (1) y (2).

Por otro lado está el índice de modulación de frecuencia mf dado por la ecuación (5).

mf  =  f tri (5)[pic 8][pic 9]

Con la ecuación (5), se debe tener en cuenta que al aumentar la frecuencia de la portadora, también aumentan las frecuencias a las que se producen los armónicos, por esto se tienen dos casos.

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