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0. Lo que explica este artículo
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Topologías de medio puente y puente completo que generan corriente alterna monofásica y trifásica a partir de un enlace de corriente continua.
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Cómo la modulación por ancho de pulsos sinusoidal y la modulación por ancho de pulsos vectorial espacial generan un voltaje promedio.
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Control, pérdidas, tiempo muerto, interferencia electromagnética y protección en motores, convertidores de potencia fotovoltaicos y vehículos eléctricos.
1. ¿Qué es un inversor?
Un inversor es un convertidor de potencia que conmuta rápidamente una fuente de corriente continua y utiliza filtrado o la inductancia del motor para sintetizar corriente alterna. Un interruptor ideal solo conecta o desconecta un voltaje; no genera directamente una onda sinusoidal. El ancho de pulso, la frecuencia de conmutación y la fase se controlan para que la carga reciba el componente fundamental deseado.
2. Entradas, salidas y topologías
Las entradas incluyen una batería, un rectificador o un enlace de corriente continua fotovoltaica. Un puente completo monofásico utiliza cuatro interruptores; un puente de dos niveles trifásico utiliza seis. Al encender simultáneamente los dispositivos superior e inferior, se produce un cortocircuito en el enlace de CC, lo que introduce un tiempo muerto. Las configuraciones NPC, tipo T, multinivel y multinivel modular comparten la tensión entre los dispositivos a alta tensión y potencia.
3. Matemáticas de PWM: primero, defina los terminales de tensión
Medido desde la línea de CC negativa, el punto medio de un medio puente ideal conmuta entre 0 y V_{dc}. Si el interruptor superior está activado durante una fracción de D del período T_s, el promedio es \bar v_{a-}=D V_{dc}. Esta tensión referenciada a la línea es diferente de la tensión en una carga de CA.
Un puente completo monofásico que utiliza PWM bipolar conmuta la tensión de carga entre +V_{dc} y -V_{dc}. Si el estado positivo ocupa la fracción D,
El promedio es cero en D=0.5, positivo en D>0.5 y negativo en D<0.5. Al elegir D(t)=[1+m\sin(\omega t)]/2, se obtiene un promedio de mV_{dc}\sin(\omega t) en el rango lineal 0\le m\le1. Aquí, m es el índice de modulación y \omega la frecuencia angular fundamental.
Para un enlace de CC de 48 V, D=0.75 proporciona un promedio de periodo de 24 V; D=0.25 proporciona −24 V. La salida de conmutación instantánea permanece en ±48 V. Estos son cálculos ilustrativos que utilizan una frecuencia de conmutación mucho mayor que la frecuencia fundamental.
En sistemas trifásicos, distinga la tensión de fase de la tensión entre fases. La inductancia suprime la ondulación de corriente de alta frecuencia sin eliminar las transiciones bruscas de tensión en terminales ni la corriente de modo común. Consulte los diagramas de circuito y modulación en la nota sobre inversores monofásicos de Imperix (https://imperix.com/doc/implementation/introduction-to-single-phase-inverter).
4. Arquitectura básica
Las flechas continuas indican la potencia; las flechas discontinuas indican las mediciones y los comandos de puerta. El controlador PWM no se encuentra en la ruta de potencia de la carga.
5. Lazos de control y motores
En un accionamiento de motor, un lazo externo de velocidad o posición controla la corriente del eje q y un lazo interno de corriente actualiza el ciclo de trabajo PWM. Para un motor síncrono de imanes permanentes de superficie (PMSM) con i_d=0 y par de reluctancia despreciados, p es el número de pares de polos, \psi_f es el flujo magnético y i_q es la corriente del eje q:
El par, por lo tanto, sigue la relación i_q. Esta relación omite la saturación, la caída de resistencia, el par de reluctancia y los límites de corriente; por sí sola, no puede garantizar el par medido de la máquina. A alta velocidad, el debilitamiento del campo reduce la fuerza contraelectromotriz. Los motores de inducción requieren la estimación del flujo y la frecuencia de deslizamiento. La resolución del sensor, el instante de muestreo de corriente y la compensación del tiempo muerto determinan la ondulación del par a baja velocidad.
6. Pérdidas, calor e interferencia electromagnética (EMI)
Con una suposición de transición de solapamiento lineal, las pérdidas por conmutación y conducción se aproximan mediante:
La estimación debe corregirse con las formas de onda de conmutación del dispositivo, la recuperación inversa del diodo, la temperatura y los efectos parásitos. Un valor más alto de f_s reduce la ondulación del filtro y del motor, pero aumenta las pérdidas, la potencia de control de la puerta y la EMI. El SiC y el GaN permiten aumentar la velocidad, pero provocan sobreimpulsos de inductancia parásita y falsos positivos. El encendido y la distancia de fuga/separación se convierten en requisitos de diseño estrictos. T_j=T_c+P_{loss}R_{th,jc} es una estimación de primer orden; la impedancia térmica transitoria, la temperatura del refrigerante y la sobrecarga breve requieren verificación.
7. Comparación de topologías
| Topología | Número de interruptores / idea | Intensidad | Punto de observación |
|---|---|---|---|
| Puente completo monofásico | Cuatro interruptores | Etapa simple de UPS y electrodomésticos | Corriente continua y armónicos |
| Trifásico de dos niveles | Seis interruptores | Estándar para motores y PCS | Tensión del dispositivo y tensión de modo común |
| Tipo NPC/T | Tensión compartida de sujeción | Alta tensión, armónicos reducidos | Control de componentes y punto neutro |
| Multinivel | Celdas de baja tensión en serie | Forma de onda de alta tensión, baja EMI | Aislamiento, equilibrado, tamaño de control |
8. Condiciones difíciles y protección
Un cortocircuito puede destruir un interruptor en microsegundos, por lo que se requiere detección del controlador de puerta DESAT, sensores de corriente, fusibles y hardware. Los apagados se realizan en capas. Un tiempo muerto excesivo genera errores de voltaje y distorsión del par a baja velocidad. Los cables largos del motor generan sobretensiones reflejadas y corrientes en los cojinetes. La conexión a la red requiere, además, protección anti-isla, bloqueo de fase, armónicos de corriente y desconexión en caso de pérdida de la red. Un diseño completo también verifica la precarga, la monitorización del aislamiento y la energía de falla que permanece en los condensadores del enlace de CC después de un apagado.
9. Opciones prácticas
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EV y servo: evaluar la corriente continua y pico, el voltaje regenerativo, la refrigeración y la detección de posición durante el ciclo de trabajo.
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PV PCS: verificar el rango MPPT, el voltaje de la red, el factor de potencia/potencia reactiva, los armónicos y la protección anti-isla.
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UPS: priorizar el tiempo de transferencia, el bypass, la corriente de irrupción y la redundancia.
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Fuente de alimentación compacta de alta frecuencia: las pruebas de diseño, EMI y aislamiento se realizan antes de aprovechar la velocidad del GaN.
10. Resumen de tres líneas
Un inversor diseña el promedio de los estados de los interruptores con PWM para sintetizar CA a partir de CC. Los variadores de motor cierran los bucles de corriente, velocidad y posición; los inversores de red cierran los bucles de fase, corriente y anti-isla. La eficiencia debe verificarse junto con el tiempo muerto, el calor, la EMI, la interrupción por cortocircuito y el aislamiento.
¿Cuál es el promedio del puente completo bipolar a +48 V durante el 75 % de un ciclo?
El promedio ideal es 0,75 × 48 − 0,25 × 48 = 24 V. Define el par de terminales y los estados de conmutación antes de promediar.
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