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.

Inversor de medio puente

Donde RL es la carga resistiva, Vs/2 es la fuente de tensión, S1 y S2 son los dos interruptores, i 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-V=0

Donde la tensión de salida V= Vs/2

Donde la corriente de salida i = V/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+V=0

Donde la tensión de salida V= -Vs/2

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Donde la corriente de salida i = V/R= -Vs/2R

En el caso de la corriente de alimentación o de conmutación, la corriente iS1 = 0, iS2 = i = -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.

Forma de onda de la tensión de salida del inversor de medio puente
Forma de onda de la tensión de salida del inversor de medio puente

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

Eje de conversión del tiempo de la forma de onda de la tensión de salida
Conversión del eje temporal de la forma de onda de la tensión de salida

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

V(promedio) = 0

I(promedio) = 0

El valor eficaz de la tensión y la corriente de salida es

V(RMS)= VS/2

I(RMS) = V(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.

Forma de onda de la tensión de salida con la componente fundamental
Forma de onda de la tensión de salida con componente fundamental

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%.

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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.

Inversor monofásico de medio puente con carga R-L
Inversor monofásico de medio puente con carga R-L

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 En esta duración, los dos interruptores están en OFF y el diodo D2 está en condición de polarización inversa. En este intervalo, el inductor libera su energía a través del diodo D1, y la corriente de salida disminuye exponencialmente desde su valor máximo negativo (-Imax) hasta cero.

Aplicando el KVL a este intervalo de tiempo se obtiene

La tensión de salida V>0; La corriente de salida fluye en sentido inverso, por tanto, i<0; corriente de conmutación iS1=0 y la corriente del diodo iD1= -i0

(ii) Intervalo II (t1 En esta duración, el interruptor S1 y S2 están cerrados y S2 está en OFF y ambos diodos están en condición de polarización inversa. En este intervalo, el inductor comienza a almacenar la energía, y la corriente de salida aumenta de cero a su valor máximo positivo (Imax).

Aplicando el KVL se obtiene

La tensión de salida V>0; La corriente de salida fluye en dirección de avance, por lo tanto, i>0; corriente de conmutación iS1= i0 y la corriente del diodo iD1= 0

(iii) Intervalo III (T/2 En esta duración, tanto el interruptor S1 y S2 están en OFF y el diodo D1 está en polarización inversa y D2 está en polarización de avance están en condición de polarización inversa. En este intervalo, el inductor libera su energía a través del diodo D2. La corriente de salida disminuye exponencialmente desde su valor máximo positivo (Imax) a cero.

Aplicando el KVL obtendrás

La tensión de salida V<0; La corriente de salida fluye en dirección de avance, por lo tanto, i>0; corriente de conmutación iS1= 0 y la corriente del diodo iD1= 0

(iv) Intervalo IV (t2 En esta duración, el interruptor S1 está en OFF y S2 están cerrados y los diodos D1 y D2 están en polarización inversa. En este intervalo, el inductor se carga al valor máximo negativo (-Imax) a cero.

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Aplicando el KVL obtendrás

La tensión de salida V<0; La corriente de salida fluye en sentido contrario/inverso, por lo que i<0; corriente de conmutación iS1= 0 y la corriente del diodo iD1= 0

Modos de funcionamiento del inversor de medio puente
Modos de funcionamiento del inversor de medio puente

El resumen de los intervalos de tiempo se muestra en la siguiente tabla

S.NO Intervalo de tiempo Dispositivo Conduce Tensión de salida (V) Salida Actual (I)Corriente de conmutación (iS1) Diodo de conmutación (iD1)
1 01D1V>0 I<0 – I
2 t1 S1V>0 I>0 I
3 T/22 D2V<0 I>0
4 t2 S2V<0 I<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.

Forma de onda de la tensión de salida de un inversor monofásico de medio puente con carga R-L
Forma de onda de la tensión de salida del inversor monofásico de medio puente con carga R-L

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 E= EDC /2 La tensión de salida es E= 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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