Contexto


Generalmente, la energía que es recibida por fuentes renovables pasa a través de convertidores electrónicos, los cuales envían la energía generada a través de un voltaje trifásico en las líneas de distribución, entre estos convertidores es común encontrar inversores trifásicos.

Sabes que existen algunos tipos de inversores que presentan un determinado contenido armónico, y entre los componentes que presentan se encuentran algunos que despliegan efectos negativos en las cargas, como calentamiento, vibración, pérdidas, entre otros. Es por esto que se tienen controles que se preocupan más por eliminar ciertas armónicas que en establecer un voltaje efectivo fundamental necesario.

Por otro lado, los inversores monofásicos tienen aplicaciones en máquinas eléctricas como ventiladores o bombas monofásicas y otro tipo de cargas comunes. Sin embargo, en la industria los inversores son utilizados en cargas trifásicas, por el que en el tema se mencionarán las principales características que presentan estos convertidores.

Preguntas detonadoras o de reflexión:

¿Sabes cómo se recibe la energía por fuentes renovables?

Explicación

13.1 Reducción de armónicas

Teniendo el voltaje con la forma de onda que se muestra en la figura 1, observa que se tiene una señal cuadrada, sin embargo existe un valor de su amplitud δ para el cual es posible eliminar una armónica.

Figura 1

Sabiendo que el valor en el tiempo del voltaje de salida está dado por:

Donde Aon se refiere a la amplitud de la armónica n y se define por

Entonces, lo que se debe de hacer para eliminar cierta armónica del espectro de frecuencias es despejar el valor de δ para el cual se tiene una amplitud cero. Por ejemplo, para eliminar la tercera armónica se tiene:

Se tiene como resultado que δ=2π/3 [Rad], te invito a corroborar el resultado. Por lo que si se elige este ancho de pulso, se espera que en su contenido armónico no aparezca la armónica mencionada.

Si se quisieran eliminar dos armónicas, lo que se hace es que se agregan pulsos como se muestra en la imagen 2.

Figura 2

Aquí se maneja de la misma forma, donde se necesita hacer el cálculo para obtener los valores deseados, sólo que en este caso se tienen dos ecuaciones representadas por la siguiente ecuación.

Así, el valor de Bn (que indica la magnitud de la armónica n en base a la ecuación previa) se iguala a cero y se obtiene el nuevo valor de la amplitud de los pulsos en la forma de onda.
Por ejemplo, si se desea eliminar ahora la tercera y quinta armónica se tendrían las siguientes ecuaciones ya despejadas:

De las cuales es necesario obtener δ1 y δ2 para determinar el ángulo que elimina estas armónicas.

De ese modo, se va agregando un espacio por cada armónica que se desea cancelar.

Este control tiene aplicaciones en muy alta potencia, pues se eliminan armónicas y no es necesaria una conmutación a muy alta frecuencia. Además de que en esos niveles de voltaje las pérdidas son altas y los dispositivos disponibles son de mayor costo.

13.2 Inversores trifásicos

Los inversores trifásicos presentan diferentes aplicaciones, las cuales van desde la conversión del voltaje recibido por las fuentes de energía renovables hasta la conversión necesaria en los motores de los vehículos eléctricos.

Los inversores trifásicos presentan algunas diferencias en comparación con los monofásicos, sin embargo mantienen puntos como el que no se debe de tener dos elementos de una misma rama en conducción a la vez. Una estructura común en un inversor trifásico se muestra en la figura 4.

Figura 3

Figura 4
Fuente: Rashid, M. (2004). Electrónica de potencia: circuitos, dispositivos y aplicaciones (3ª ed.). México: Pearson Educación.

Principalmente existen dos métodos para el control de los dispositivos semiconductores, la conducción a 120° y 180°.

Dado que el control por conducción a 180° tiene un mejor uso de los interruptores, el análisis se continuará enfocado a este control.

Las secuencias de encendido se muestran en la tabla de abajo, las transiciones o cambios de ésta se realizan cada 60°, además de que se observa que siempre se tienen 3 elementos conduciendo.

Secuencia

Vab

Vbc

Vca

S1S5S6

+ Vs

- Vs

0

S1S2S6

+ Vs

0

- Vs

S1S2S3

0

+ Vs

- Vs

S2S3S4

- Vs

+ Vs

0

S3S4S5

- Vs

0

+ Vs

S4S5S6

0

- Vs

+ Vs

Observa en la tabla que siempre se tienen los tres valores posibles. Para ilustrar el comportamiento del voltaje se toma como ejemplo la primer secuencia basándose en la figura 4, se observa que al activar Q1, Q5 y Q6 se tiene que de línea a neutro hay Va=Vs, Vb=0 y Vc=Vs por lo que al observar de línea a línea se tiene Vab=Vs-0= +Vs, Vbc=0-Vs=-Vs, Vca=Vs-Vs=0. Y así sucesivamente.

Existen otras secuencias posibles, pero con una pequeña observación puedes confirmar que estas mantienen un voltaje de cero en todas las líneas mientras que otras provocan un corto circuito. Con base en esto, verifica las demás secuencias de encendido del resto de los interruptores.

El voltaje que indica el valor efectivo de línea a línea se define como:

Mientras que el compuesto por cada armónica se representa por la siguiente ecuación:

Cierre


Existe una gran cantidad de estructuras y métodos de control de inversores trifásicos, sin embargo, éstos necesitan un enfoque muy enérgico en el tema.

Revisa a continuación el Checkpoint:

Asegúrate de comprender:

  • Cómo se eliminan las armónicas de la forma de la onda.
  •  La conmutación que presentan los inversores trifásicos.

Referencias