Qué es el inversor de medio puente: esquema del circuito y su funcionamiento
El inversor es un convertidor electrónico de potencia que convierte la potencia continua en potencia alterna. Utilizando este dispositivo inversor, podemos convertir la corriente continua fija en corriente alterna variable, es decir, en frecuencia y tensión variables. En segundo lugar, a partir de este inversor, podemos variar la frecuencia, es decir, podremos generar las frecuencias de 40HZ, 50HZ y 60HZ según nuestras necesidades. Si la entrada de corriente continua es una fuente de tensión, el inversor se conoce como VSI (Voltage Source Inverter). Los inversores necesitan cuatro dispositivos de conmutación, mientras que el inversor de medio puente necesita dos dispositivos de conmutación. Los inversores de puente son de dos tipos: el inversor de medio puente y el inversor de puente completo. Este artículo trata del inversor de medio puente.
¿Qué es el inversor de medio puente?
El inversor es un dispositivo que convierte una tensión continua en una tensión alterna y consta de cuatro interruptores, mientras que el inversor de medio puente requiere dos diodos y dos interruptores conectados en antiparalelo. Los dos interruptores son complementarios, lo que significa que cuando el primer interruptor está en ON, el segundo está en OFF.
Inversor monofásico de medio puente con carga resistiva
El esquema de un inversor monofásico de medio puente con carga resistiva se muestra en la siguiente figura.
Donde RL es la carga resistiva, Vs/2 es la fuente de tensión, S1 y S2 son los dos interruptores, i0 es la corriente. Donde cada interruptor está conectado a los diodos D1 y D2 en paralelo. En la figura anterior, los interruptores S1 y S2 son los interruptores autoconmutados. El interruptor S1 conducirá cuando la tensión sea positiva y la corriente negativa, el interruptor S2 conducirá cuando la tensión sea negativa, y la corriente sea negativa. El diodo D1 conducirá cuando la tensión sea positiva y la corriente negativa, el diodo D2 conducirá cuando la tensión sea negativa y la corriente sea positiva.
Caso 1 (cuando el interruptor S1 es ON y S2 está desactivado): Cuando el interruptor S1 está en ON desde un periodo de tiempo de 0 a T/2, el diodo D1 y D2 están en condición de polarización inversa y S2 el interruptor está apagado.
Aplicación de la KVL (Ley de la tensión de Kirchhoff)
Vs/2-V0=0
Donde la tensión de salida V0= Vs/2
Donde la corriente de salida i0 = V0/R= Vs/2R
En el caso de la corriente de alimentación o de la corriente de conmutación, la corriente iS1 = i0 = Vs/2R, iS2 = 0 y la corriente del diodo iD1 = iD2 = 0.
Caso 2 (cuando el interruptor S2 es ON y S1 está desactivado): Cuando el interruptor S2 está en ON desde un periodo de tiempo de T/2 a T, el diodo D1 y D2 están en condiciones de polarización inversa y S1 el interruptor está apagado.
Aplicación de la KVL (Ley de la tensión de Kirchhoff)
Vs/2+V0=0
Donde la tensión de salida V0= -Vs/2
Donde la corriente de salida i0 = V0/R= -Vs/2R
En el caso de la corriente de alimentación o de conmutación, la corriente iS1 = 0, iS2 = i0 = -Vs/2R y la corriente del diodo iD1 = iD2 = 0.
La forma de onda de la tensión de salida del inversor monofásico de medio puente se muestra en la siguiente figura.
El valor medio de la tensión de salida es
Así, la forma de onda de la tensión de salida desde la conversión del tiempo 'T' al eje ''ωt" se muestra en la siguiente figura
Cuando se multiplica por cero, será cero; cuando se multiplica por T/2, será T/2=π; cuando se multiplica por T, será T=2π; cuando se multiplica por 3T/2, será T/2=3π y así sucesivamente. De este modo, podemos convertir este eje temporal en el eje "ωt".
El valor medio de la tensión y la corriente de salida es
V0(promedio) = 0
I0(promedio) = 0
El valor eficaz de la tensión y la corriente de salida es
V0(RMS)= VS/2
I0(RMS) = V0(RMS) /R =VS/2R
La tensión de salida que obtenemos en un inversor no es una onda sinusoidal pura, es decir, una onda cuadrada. La tensión de salida con la componente fundamental se muestra en la siguiente figura.
Utilizando la serie de Fourier
Donde Cn, an y bn son
bn=VS/nᴨ(1-cosnᴨ)
El bn =0 al sustituir los números pares (n=2,4,6.....) y bn =2Vs/nπ al sustituir los números impares (n=1,3,5......). Sustituye bn =2Vs/nπ y an=0 en Cn obtendrá Cn=2Vs/nπ.
ϕn=tan-1(an/bn)=0
V01(ωt)=2 VS/ᴨ * (Sin ωt)
Sustituto V0 (promedio) = 0 en obtendrá
La ecuación (1) también puede escribirse como
V0(ωt)=2VS/ᴨ * (Sin ωt) + 2VS/3ᴨ * (Sin3ωt) + 2VS/5ᴨ * (Sin5ωt) +........+∞
V0(ωt)= V01(ωt)+ V03(ωt)+ V05(ωt)
La expresión anterior es la tensión de salida que se compone de la tensión fundamental y de los armónicos impares. Hay dos métodos para eliminar estos componentes armónicos: utilizar el circuito de filtrado y utilizar la técnica de modulación de anchura de pulso.
La tensión fundamental puede escribirse como
V01(ωt)=2VS/ᴨ * (Sin ωt)
El valor máximo de la tensión fundamental
V01(max) =2VS/ᴨ
El valor eficaz de la tensión fundamental es
V01(RMS) =2VS/√2ᴨ=√2VS/ᴨ
La componente fundamental de la corriente de salida RMS es
I01(RMS)= V01(RMS)/R
Tenemos que obtener el factor de distorsión, el factor de distorsión se denota por g.
g=V01(RMS)/ V0(RMS)= valor eficaz de la tensión fundamental/valor eficaz total de la tensión de salida
Sustituyendo la V01(RMS) y V0(RMS) los valores en g obtendrán
g=2√2/ ᴨ
La distorsión armónica total se expresa como
En la tensión de salida, la distorsión armónica total THD=48,43%, pero según la IEEE, la distorsión armónica total debe ser del 5%.
La potencia fundamental de salida del puente inversor monofásico es
P01= (V01(rms))2/R=I201(rms)R
Utilizando la fórmula anterior podemos calcular la potencia fundamental.
De este modo, podemos calcular los distintos parámetros del inversor monofásico de medio puente.
Inversor monofásico de medio puente con carga R-L
El esquema del circuito de la carga R-L se muestra en la siguiente figura.
El diagrama del circuito del inversor monofásico de medio puente con carga R-L consta de dos interruptores, dos diodos y la alimentación de tensión. La carga R-L está conectada entre el punto A y el punto O, el punto A se considera siempre positivo y el punto O negativo. Si la corriente fluye del punto A al O, la corriente se considerará positiva, y si la corriente fluye del punto A, la corriente se considerará negativa.
En el caso de la carga R-L, la corriente de salida será una función exponencial con respecto al tiempo y se retrasa con respecto a la tensión de salida en un ángulo.
ϕ= tan-1(ωL/R)
Funcionamiento del inversor monofásico de medio puente con carga R
El funcionamiento se basa en los siguientes intervalos de tiempo
(i) Intervalo I (0
Aplicando el KVL a este intervalo de tiempo se obtiene
La tensión de salida V0>0; La corriente de salida fluye en sentido inverso, por tanto, i0<0; corriente de conmutación iS1=0 y la corriente del diodo iD1= -i0
(ii) Intervalo II (t1
Aplicando el KVL se obtiene
La tensión de salida V0>0; La corriente de salida fluye en dirección de avance, por lo tanto, i0>0; corriente de conmutación iS1= i0 y la corriente del diodo iD1= 0
(iii) Intervalo III (T/2
Aplicando el KVL obtendrás
La tensión de salida V0<0; La corriente de salida fluye en dirección de avance, por lo tanto, i0>0; corriente de conmutación iS1= 0 y la corriente del diodo iD1= 0
(iv) Intervalo IV (t2
Aplicando el KVL obtendrás
La tensión de salida V0<0; La corriente de salida fluye en sentido contrario/inverso, por lo que i0<0; corriente de conmutación iS1= 0 y la corriente del diodo iD1= 0
El resumen de los intervalos de tiempo se muestra en la siguiente tabla
| S.NO | Intervalo de tiempo | Dispositivo Conduce | Tensión de salida (V0) | Salida Actual (I0) | Corriente de conmutación (iS1) | Diodo de conmutación (iD1) |
| 1 | 0 |
D1 | V0>0 | I0<0 | 0 | - I0 |
| 2 | t1 |
S1 | V0>0 | I0>0 | I0 | 0 |
| 3 | T/2 |
D2 | V0<0 | I0>0 | 0 | 0 |
| 4 | t2 |
S2 | V0<0 | I0<0 | 0 | 0 |
La forma de onda de la tensión de salida de un inversor monofásico de medio puente con carga RL se muestra en la siguiente figura.
Inversor de medio puente frente a inversor de puente completo
La diferencia entre el inversor de medio puente y el inversor de puente completo se muestra en la siguiente tabla.
| S.NO |
Inversor de medio puente |
Inversor de puente completo |
|
1 |
La eficiencia es alta en el inversor de medio puente | En el inversor de puente completo también, la eficiencia es alta |
|
2 |
En el inversor de medio puente las formas de onda de la tensión de salida son cuadradas, cuasicuadradas o PWM | En el inversor de puente completo las formas de onda de la tensión de salida son cuadradas, cuasicuadradas o PWM |
|
3 |
La tensión de pico en el inversor de medio puente es la mitad de la tensión de alimentación de CC | La tensión de pico en el inversor de puente completo es la misma que la tensión de alimentación de CC |
|
4 |
El inversor de medio puente contiene dos interruptores | El inversor de puente completo contiene cuatro interruptores |
|
5 |
La tensión de salida es E0= EDC /2 | La tensión de salida es E0= EDC |
|
6 |
La tensión fundamental de salida es E1= 0.45 EDC | La tensión fundamental de salida es E1= 0.9 EDC |
|
7 |
Este tipo de inversor genera tensiones bipolares | Este tipo de inversor genera tensiones monopolares |
Ventajas
Las ventajas del inversor monofásico de medio puente son
- El circuito es sencillo
- El coste es bajo
Desventajas
Las desventajas del inversor monofásico de medio puente son
- El TUF (Factor de Utilización del Transformador) es bajo
- La eficiencia es baja
Por lo tanto, se trata de una visión general del inversor de medio puentese habla de la diferencia entre el inversor de medio puente y el inversor de puente completo, las ventajas, los inconvenientes, el inversor de medio puente monofásico con carga resistiva. Aquí tienes una pregunta, ¿cuáles son las aplicaciones del inversor de medio puente?
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