[Geek break: ¿Cómo analizar de forma "agradable" un inversor modulador por ancho de pulso?]

cultura.bitcoin (61)in #spanish • 6 years ago (edited)

¡Hola colegas geeks!

Sé que han escuchado alguna vez, acerca de los inversores. Pero ¿Qué aplicaciones hay con éstos tales inversores?

Lo cierto es que todos los días, indirectamente interactuamos con ellos y no nos damos cuenta, desde pequeñas fuentes de alimentación para tu ordenador, hasta toda clase de circuitos para alta potencia(industrias).

Los inversores se pueden clasificar básicamente en dos tipos:

Inversores monofásicos.
Inversores trifásicos.

Cada tipo puede utilizar dispositivos de activación y desactivación controlada (BJT, MOSFET, IGBT, MCT, SIT, GTO, o tiristores de conmutación forzada, según la aplicación).
Estos inversores utilizan por lo general señales de control, para producir un voltaje de salida en Corriente Alterna.

Como se mencionó anteriormente, los inversores requieren de medios de control sobre el voltaje de salida. En la mayoría de tales aplicaciones el control es usualmente requerido para brindar un ajuste continuo del voltaje de salida, dentro de los inversores monofásicos hay cuatro grupos principales:

Modulación por onda cuadrada,
Modulación por cancelación de tensión.
Cancelación por armonicos.
PWM.

Los métodos de control pueden ser agrupados en tres grandes categorías:

Control de voltaje hacia el inversor.

Control del voltaje entregado por el inversor.

Control del voltaje dentro del inversor.

La principal desventaja de estos métodos es que la potencia entregada por el inversor es manipulada dos veces, una vez por el control de voltaje DC o AC y otra por el inversor. Esto generalmente involucra más equipos que los que serian necesario si el control de voltaje es hecho dentro del inversor. El control de la salida del inversor puede ser logrado por la incorporación de controles de relación de tiempo dentro del circuito del inversor y hacer un análisis matemático con cuidado...

¿Cómo analizar éstas modulaciones y mejorar diseños sin perder el hilo del razonamiento?
Para fines de diseño siempre es recomendable un software que haga tu análisis más lúdico, en éste caso controlar el inversor con la técnicas de modulación de ancho de pulso (PWM) usando TopSpice.

Tomemos un ejemplo donde podemos simular el circuito y observar claramente nuestra modulación conociendo corriente y voltaje de salida.

Del siguiente circuito, obtenemos numéricamente dichos datos, apartir del circuito de ejemplo en la Figura 1 que muestra el circuito inversor con modulación de ancho de pulso donde Vs=12V, con resistencia de 2.5Ω y, p = 5, δ = 36°.

Fig. 1 Circuito ejemplo

Recordando que el voltaje está dado por la expresión general:

Sustituyendo de la expresiónsimplificada, obtendremos el voltaje de salida expresado como:

Y con ese dato podemos conocerla corriente de salida:

Después simlemente declaramos de forma correcta la simulación en el software:

      VS   1 0   DC 12V
      VR  17 0  PULSE(50V 0V 0 577US 577US 1NS 1155US)
      RR  17 0   2MEG
      VC1 15 0   PULSE(0 -30V 0 1NS 1NS 833.333US 1666.667US)
      RC1 15 0   2MEG
      VC3 16 0   PULSE(0 -30V 8333.33US 1NS 1NS 8333.33US 16666.67US)
      RC3 16 0   2MEG
      R    4 6   2.5
      *L    5 6   10MH
      VX   3 4   DC 0V
      VY   1 2   DC 0V
      D1   3 2   DMOD
      D2   0 6   DMOD
      D3   6 2   DMOD
      D4   0 3   DMOD
      .MODEL DMOD D (IS=2.2E-15 BV=1800V TT=0)
      Q1   2 7  3 QMOD
      Q2   6 9  0 QMOD
      Q3   2 11 6 QMOD
      Q4   3 13 0 QMOD
      .MODEL QMOD NPN (IS=6.734F BF=416.4 CJC=3.638P CJE=4.493P) ;TBJ PARAMET
      RG1  8 7 100
      RG2  10 9 100
      RG3  12 11 100
      RG4  14 13 100
      *SUBCIRCUIT CALL FOR PWM CONTROL declaración del pwm
      XPW1 17 15 8 3   PWM
      XPW2 17 15 10 0  PWM
      XPW3 17 16 12 6  PWM
      XPW4 17 16 14 0  PWM
      *SUBCIRCUIT FOR PWM CONTROL
      .SUBCKT PWM 1      2     3      4
      *         MODEL REF.  CARRIER  +CONTROL   -CONTROL
      *          NAME INPUT   INPUT    VOLATGE    VOLTAGE
      R1  1 5 1K
      R2  2 5 1K
      RIN 5 0 2MEG
      RF  5 3 100K
      RO  6 3 75
      CO  3 4 10PF
      E1  6 4 0 5 2E+5
      .ENDS  PWM
      .TRAN 10US 20MS 0 10US
      .PROBE
      .PRINT TRAN   V(3,6)
      .OPTIONS ABSTOL = 1.00N  RELTOL = 0.01  VNTOL = 0.1 ITL5=20000
      .END

¡Y voilá! ¡Ahora podemos notar en ésta modulación amplitud, fase, la ausencia de armónicos, sobre qué multiplos está, distorciones etc de una forma más agradable!

3 INVERSORES.jpg

Fig.2

Finalmente sólo queda agregar que la modulación de ancho de pulso para control puede lograrse usando una gran variedad de métodos. Por eso hacer más efectivo el análisis es algo crucial, ya que los cambios en tu diseño dependerán del criterio de desempeño. Por ejemplo ver cómo se comporta con frecuencias de suicheo.

Hasta pronto, colegas!