Electrónica de Potencia/Módulos de inversión/Inversores Monofásicos

Circuito

Realizaremos el estudio del siguiente inversor monofásico con unos hipotéticos datos, dicho estudio consistirá en un problema, una simulación con un software informático ("PSPICE") y una simulación real de componentes con Semisell

Inversor monofásico de onda completa

En la figura de la izquierda se muestra un inversor monofásico de onda cuadrada. Los interruptores conectan la carga a +V1 cuando T1 y T4 están cerrados y a -V1 cuando T2 y T3 están cerrados. La conmutación periódica de la tensión de la carga entre +V1 y -V1 genera en la carga una tensión con forma de onda cuadrada. Aunque esta salida alterna no es sinusoidal, puede ser una onda de alterna adecuada para algunas aplicaciones.

Cuando los tiristores T1 y T4 son apagados, la corriente de la carga debe ser mantenida y se transferirá a los diodos D2 y D3, haciendo que la tensión de salida sea -V1, y poniendo en conducción 2 y 3 antes de que T2 y T3 son encendidos. Hay que encender los tiristores T3 y T2 antes de que la corriente e la carga disminuya hasta cero

Problema

Gráfica de tensión de salida del inversor monofásico

Calcular la intensidad y la forma de onda del inversor de la imagen anterior con los siguientes datos:

DATOS: V1= 600[v]; R= 15[Ω]; L= 1[mH]; F= 1.5[KHz]; T=1/F

Resolución:
La imagen de la izquierda nos muestra la forma de onda cuadrada que es la que tendremos a la salida del inversor con un pico de 600v de tensión, sabiendo la salida de tensión de nuestro inversor monofásico podemos empezar a resolver el problema planteado.

Obtenemos la ecuación diferencial de la tensión del circuito:

$V=L*{\frac {(di(t))}{dt}}+R*i(t)$

Despejamos i(t):

$i(t)={\frac {V}{R}}*(1-e^{(}{\frac {-R}{L}}*{\frac {T}{2}}))+I_{0}*e^{(}{\frac {-R}{L*T}})$

Imponemos las condiciones finales

$i(t={\frac {T}{2}})=I_{1}=-I_{0}={\frac {V}{R}}*(1-e^{(}{\frac {-R}{L}}*{\frac {T}{2}}))+I_{0}*e^{(}{\frac {-R}{L}}*T)$

Sustituimos los valores y resolvemos, con lo que obtenemos:

$I_{0}=-40A$

Una vez hemos obtenido I_0, la I_1 es igual, pero con signo contrario

$I_{1}=40A$

Gráfica de tensión e intensidad

En la imagen de la izquierda representamos la intensidad obtenida en el problema resuelto con la forma de onda de la tensión a la salida del inversor monofásico que teníamos en el problema propuesto, ademas en la parte inferior del gráfico vemos el tiempo de conducción de los tiristores y los diodos del circuito. Observamos que en el primer tramo antes de que la corriente pase a ser positiva conducen los diodos D1 y D4, a partir de ese momento es cuando disparamos los tiristores T1 y T4 hasta que la intensidad llega a su máximo de 40 amperios, en ese máximo los tiristores dejan de conducir puesto que la tensión pasa a ser negativa y son los diodos D2 y D3 los que entran en conducción hasta que la corriente deje de ser positiva qu es cuando entraran los tiristores T2 y T3 hasta su desconexión que se hará efectiva cuando la tensión pase a valores positivos, dicho ciclo se repetirá continuamente

Simulación con PSPICE

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Aquí comprobaremos el problema anterior del inversor monofásico, la comprobación la realizaremos con el software de simulación PSPICE, en primer lugar tendremos que realizar el circuito con sus correspondientes código del programa, primero título, introduces la fuente de tensión del circuito inversor, introduces los componentes del circuito del inversor (tiristores, diodos...), metemos la carga del circuito (en nuestro caso resistencia y bobina), la programación de dicho circuito será la correspondiente a la imagen de la izquierda

Los resultados obtenidos son los siguientes:

Tensión en el inversor monofásico

Intensidad del inversor monofásico

En la imagen de la izquierda vemos la gráfica (realizada con Pspice) de la tensión de salida que nos proporciona el circuito inversor monofásico, como habíamos anticipado antes es una onda cuadrada de valor 600 voltios. En la imagen de la derecha tenemos el resultado de la intensidad que nos proporciona el inversor monofásico, la forma de onda es igual que la expuesta anteriormente en el apartado del problema, también lo es el valor de dicha intensidad.

Resultado de la tensión y la intensidad

En la imagen que tenemos a la izquierda vemos que el resultado numérico obtenido coincide con el calculado en el problema anterior, también se puede comprobar que la forma de onda entre la tensión y la intensidad de salida del inversor se aproxima mucho con la que habíamos propuesto en el problema

Simulación real

Primero tenemos que introducir los datos pasando por las diferentes pantallas de web

datos introducidos en semisel

dispositivo elegido

Primero introducimos los datos de nuestro problema de inversor monofásico, como datos de entrada de nuestro circuito pondremos 600V de pico, y 1500Hz de frecuencia. La corriente máxima de salida pondremos 40A. Después elegiremos un dispositivo acorde a nuestras necesidades, podemos ver en la imagen de la derecha, en su nombre o código de producto vemos que puede llegar a soportar hasta 50A de corriente por lo que es favorable en nuestro caso ya que tendremos los 40A de salida del inversor mas un poco mas de margen.

Características de refrigeración para el dispositivo

En la pantalla que viene a continuación le decimos la refrigeración del dispositivo que vamos a utilizar, en este caso ponemos como temperatura ambiente 40 grados, y seleccionamos el modo de refrigeración natural, es decir sin ventilador. Ademas elegiremos el radiador llamado P14_120

Resutados obtenidos en la simulación real

resultados

resultados

resultados

Una vez que hallamos completado todos los pasos anteriores el software de la pagina web nos dará las resultados obtenidos a partir de los datos introducidos anteriormente. La imagen de la izquierda superior nos muestra lo que podemos ver en primer lugar en web que son un poco los datos que hemos introducido, nos dice que es un circuito inversor, con una tensión de 600 voltios, la forma de onda que es cuadrada y demás datos sobre la corriente que pasa por el circuito tanto la máxima como la rms, también nos informa sobre la frecuencia y el periodo del circuito. En la imagen de la derecha nos dice el dispositivo que vamos a montar en la instalación del inversor con lo que nos saca una serie de información importante acerca de dicho dispositivo, en la parte de abajo de la imagen esta expuesto todo lo referenciado a la refrigeración del circuito, tipo de radiador,consumo de este, temperatura ambiente, etc. Podemos ver en la imagen de la parte izquierda inferior los resultados obtenidos del circuito inversor, en la primera parte nos muestra el cálculo de la potencia que consume unas determinadas partes de nuestro circuito, además nos muestra de forma aproximada una serie de temperaturas y nos informa de las temperaturas que no deberíamos pasar, justo debajo nos muestra las temperaturas pero dispuestas en un gráfico para que sea una lectura "más visual". Por último nos evalúa la instalación con todos los daos que ha recogido, en nuestro caso nos informa que nuestra configuración del circuito es optima y trabajaría de una forma "fina"