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.