Conversion AC/AC Convertidores AC/AC
Conversion de potencia AC/AC Los convertidores de potencia transforman la frecuencia y amplitud de la señal AC (la red) De acuerdo con los requerimientos del sistema
Configuracion tradicional Inversor con fuente de voltaje modulada por ancho de pulso (PWM-VSI) con rectificador a diodos en la entrada y capacitor para acople de DC
Configuracion tradicional Esta configuracion se basa en una conversion de potencia indirecta Porque la conversion se hace a traves de una conversion intermedia de DC El capacitor de DC desacopla las dos etapas de conversion y asegura el control independiente de las dos etapas
Tendencias de los convertidores AC/AC modernos Los avances en Tecnologia de los dispositivos semiconductores de potencia Procesadores de alta velocidad y bajo costo Nuevos algoritmos PWM A conducido a nuevas topologias de convertidores AC/AC
Tendencias de los convertidores AC/AC modernos Estas tendencias se dirigen a Mejorar la interfaz con la red electrica con factores de potencia unitarios Flujo de potencia bidireccional Tamaño compacto Mayor integracion hacia una estructura de silicio con pocos componentes pasivos Mayor capacidad de manejo de potencia Mayor eficiencia y alta frecuencia de conmutación
Limitaciones del PWM-VSI con rectificador a diodos 1. Gran volumen y tamaño En la conversion indirecta son inevitables muchos componentes reactivos El tamaño del capacitor electrolitico para el acople de DC (entre el 30% y el 50% del tamaño del convertidor) Adicionalmente, la presencia del condensador limita significativamente al convertidor a aplicaciones de hasta 300°C
Limitaciones del PWM-VSI con rectificador a diodos 2. Limitaciones de potencia La potencia de salida se ve limitada por los limites de potencia de conmutadores electronicos (MOSFETS e IGBTs) disponibles Asi como por las perdidas de conmutacion asociadas a la conmutacion dando como resultado calentamientos. Adicionalmente, se presentan problemas de interferencia electromagnetica debido a pendientes altas dv/dt que se agravan en aplicaciones de alta potencia
Limitaciones del PWM-VSI con rectificador a diodos 3. Polucion armonica en la red electrica Debido a sus caracteristicas operacionales no controladas el rectificador a diodos produce corrientes de entrada distorsionadas con factores de potencia pobres. La polucion armonica hacia la red se debe a las corrientes armonicas en el rectificador a diodos. Las corrientes armonicas en la red conducen a: Uso ineficiente de la energia Sobrecalentamiento de los equipos Mal funcionamiento de los equipos de estado solido Interferencia con los sistemas de comunicación Degradacion de la calidad del sistema de distribucion de potencia
Problemas y soluciones para el PWM-VSI con rectificador a diodos
Convertidores AC/AC modernos Convertidores AC/AC
Convertidores AC/AC modernos Convertidor directo: convertidor matricial Convertidor alimentado por corriente a six-step basado en tiristores Convertidor controlado tipo interfaz con la red Rectificador como fuente de voltaje PWM (PWM-VSR) Con filtro de potencia activo (APF)
Convertidor alimentado por corriente six-step basado en tiristores En el inversor los tiristores se conmutan ON y OFF solo una vez por ciclo Por lo tanto el inversor opera en el modo de seis pasos
Convertidor controlado tipo interfaz con la red Topologia Rectificador como fuente de voltaje PWM
Convertidor controlado tipo interfaz con la red Topologia con filtro de potencia activo (APF)
El Convertidor matricial: caracteristicas Convertidores AC/AC
El convertidor matricial El convertidor matricial convierte directamente la potencia AC de la red a potencia AC en la carga (un motor de induccion) Basado integramente en silicio El convertidor matricial resulta de tamaño y volumen reducido comparado con basados en acoplo de DC.
Convertidor matricial: aplicaciones
El convertidor matricial El convertidor matricial conecta la red a la carga de AC directamente a traves de conmutadores bidireccionales La salida puede ser ajustada en frecuencia y amplitud
Convertidor matricial trifasico Las estrategias de modulacion en los switches sintetizan la salida deseada basada en trozos de señales de voltaje senoidales.
Ventajas del convertidor matricial Reducido tamaño, peso y coste. Modular. Sin condensador de acople de DC Calidad: ondas senoidales entrada/salida Control del Factor de Potencia de entrada Flujo de potencia bidireccional La energia en la carga puede volver a la fuente Robusto a altas temperaturas Gran periodo de vida
Desventajas del convertidor matricial Complejidad del control Metodo de Venturini (1980) Modulacion del vector espacial (SVM) Ratio de transferencia de tensión
Comparacion de caracteristicas
El Convertidor matricial: funcionamiento Convertidores AC/AC
Metodo de modulacion de Venturini Los voltajes de salida del convertidor se determinan por uno de los voltajes de entrada de acuerdo con el estado de la conexión de los switches bidireccionales. Por lo tanto, los voltajes instantaneos de salida se sintetizan por el muestreo de trozos de los voltajes de entrada, tal que el valor medio promediado durante el periodo de conmutacion puede seguir los voltajes deseados.
Metodo de modulacion de Venturini Matriz de la funcion de transferencia mij denota el ciclo de trabajo del switch correpondiente bi-direccional Sij (i=a,b,c and j=A,B,C)
Metodo de modulacion de Venturini De manera similar las corrientes de entrada del convertidor se construyen de las corrientes de salida, las cuales dependen de los voltajes de salida y las condiciones de carga. Del balance de potencia, (Pin=Pout), las componentes de baja frecuencia de las corrientes de entrada se hallan a partir de las corrientes de salida como
Metodo de modulacion de Venturini El convertidor se alimenta con una fuente de voltaje y se conecta una carga inductiva. Por lo tanto, para evitar un corto circuito en el lado de entrada y un circuito abierto en el terminal inductivo de salida, en cualquier instante solo puede estar cerrado un switch bi-direccional en una pata de salida:
Voltajes y corrientes Se asume como voltajes de entrada trifasicos balanceados y que el convertidor regula las corrientes de salida como
Voltajes y corrientes
Solucion de Venturini Asumiendo que
Solucion de Venturini Existen dos soluciones basicas derivadas por Venturini,
Bibliografia Sangshin Kwak, Design and Analysis of Modern Three-phase AC/AC Power Converters for AC Drives and Utility Interface. Texas A&M University. PHD Thesis. May 2005 Wheeler et al., Matrix Converters: The Technology and Potential Explotation. M. Venturini, “A new sine wave in, sine wave out, conversion technique eliminates reactive elements”, in Proc. POWERCON 7, 1980, pp. E3-1-E3-15. A. Alesina and M. Venturini, "Analysis and design of optimum-amplitude nineswitch direct AC-AC converters," IEEE Trans. on Power Electronics, vol. 4, no. 1, pp. 101-112, Jan. 1989.