Inversores Resonantes

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Universidad de Oviedo INVERSORES RESONANTESDE ALTA FRECUENCIA Presentado por Jos Marcos Alonso lvarez para optar a la plaza de PROFESOR TITULAR DE UNIVERSIDAD en el rea de Conocimiento de TECNOLOGA ELECTRNICA Concurso convocado por Resolucin de 26 de febrero de 1998 de la Universidad de Oviedo (B.O.E. de 25 de marzo de 1998) GIJN MAYO 1999 NDICE 1.-INTRODUCCIN A LOS INVERSORES RESONANTES 1.1.- Justificacin y mbito de la leccin1 1.2.- Parmetros caractersticos de un inversor3 1.3.- Diagrama de bloques de un inversor resonante5 2.-TOPOLOGAS Y CONTROL DE INVERSORES RESONANTES 2.1.- Topologas de inversores resonantes9 2.2.- Control de la potencia de salida de un inversor resonante15 2.3.- Modos de funcionamiento de un inversor resonante25 2.4.- Efecto de los parmetros de control en el modo de funcionamiento31 3.-ANLISIS ESTTICO DE INVERSORES RESONANTES 3.1.- Mtodos de anlisis35 3.2.- Obtencin de caractersticas38 3.3.- Anlisis comparativo de inversores resonantes40 3.4.- Comentarios para la seleccin de una topologa55 4.-INTRODUCCIN AL ANLISIS DINMICO DE INVERSORES RESONANTES 4.1.- Introduccin57 4.2.- Metodologa de estudio dinmico58 4.2.1.- Aplicacin al modelado en el espacio de estados60 4.2.2.- Caso particular: sistemas lineales e invariantes61 4.3.- Ejemplos de modelado65 4.3.1.- Modelado de un inversor resonante LC paralelo65 4.3.2.- Modelado de un convertidor CC-CC resonante79 2 APNDICE A: SIMULACIN POR ORDENADOR DE UN CIRCUITO DE POTENCIA A.1.-Ecuaciones de simulacin de un convertidor de potencia a partir del modelo en el espacio de estados83 4.1.- Aplicacin al modelado de un inversor resonante LC paralelo85 APNDICE B: OBTENCIN DE LA RESPUESTA DINMICA DEL INVERSOR LC PARALELO BIBLIOGRAFA 1.INTRODUCCIN A LOS INVERSORES RESONANTES 1.1.Justificacin y mbito de la leccin La funcin de un inversor consiste en la generacin de una onda de tensin o de corriente alterna de una determinada magnitud y frecuencia a partir de una fuente de energa continua. Su funcionamiento cae por tanto en el campo de la conversin CC-CA y sus aplicaciones son muy numerosas. La presente leccin se centrar en los inversores resonantes de alta frecuencia, y especial-mente aquellos cuya fuente primaria de alimentacin corresponde a una fuente de tensin. En estosinversoressegeneraunaondadetensincuadradaocuasi-cuadradadealtafrecuencia (por encima de 20kHz), que posteriormente es filtrada por medio de un circuito tanque reso-nante para obtener una onda de alta frecuencia con bajo contenido en armnicos. Finalmente esta onda es empleada para alimentar una determinada carga. Los inversores resonantes de alta frecuencia han sido objeto de numerosos estudios recien-tes. Esto es debido al amplio nmero de aplicaciones que han venido apareciendo en los lti-mos aos para este tipo de convertidores de potencia. Entre ellas cabe destacar las siguientes: Alimentacin de lmparas de descarga Los inversores resonantes encuentran una aplicacin particularmente interesante en la ali-mentacin de lmparas de descarga. Adems de realizar el encendido y la alimentacin de la lmpara en rgimen permanente al igual que los sistemas tradicionales (balastos electromag-nticos), presentan la ventaja de alimentar las lmparas con corriente de alta frecuencia. Esto produce un aumento del flujo luminoso emitido por la lmpara con respecto al emitido a fre-cuenciasderedparalamismapotenciaelctrica.Ademslaalimentacinaaltafrecuencia elimina el efecto estroboscpico, aumentando la calidad de la iluminacin proporcionada por estas lmparas y haciendo posible su empleo en aplicaciones crticas como sistemas de reco-nocimientodeimagenporCCD,navesindustrialesconequiposmviles,etc.Otrasventajas adicionalessonlasderivadasdeunmayorrendimientoenergticoenlaetapadepotencia, control del flujo luminoso, regulacin de la potencia elctrica entregada a la lmpara, etc. [25-38]. LECCIN DE OPOSICIN 2 Calentamiento por induccin El calentamiento por induccin es otra aplicacin interesante de los inversores resonantes. En los sistemas de calentamiento elctrico tradicionales gran parte de calor generado elctri-camentesepierdeenelentornodelgeneradordebidoafugastrmicas,porloqueelrendi-miento energtico del proceso es reducido. Por medio del calentamiento por induccin el ren-dimientodelprocesosemejoraengranmedida.Enesteprocesosegeneraunaondadeco-rriente alterna de frecuencia comprendida dentro del rango 25-40kHz, con la que se alimenta una bobina de induccin. El campo magntico creado por la bobina induce corrientes circula-torias en el elemento metlico a calentar. De esta forma toda la energa elctrica es transferida en forma de energa til de calentamiento [14-16]. Soldadura por arco elctrico En la soldadura de arco elctrico la energa de fusin se proporciona por medio de un arco elctrico entre dos electrodos, uno de los cuales es la pieza metlica a soldar. En estos equipos es imprescindible el aislamiento galvnico entre la entrada y la salida. Los sistemas tradicio-nalesempleanuntransformadordebajafrecuenciaseguidodeunpuentedetiristoresyuna bobinadevalorelevadoparadisminuirelrizadodelacorrientedelarco.Elempleodeun inversorresonanteseguidodeuntransformadordealtafrecuencia,rectificadorybobinade alta frecuencia permite tanto reducir el tamao y peso del equipo como aumentar su eficien-cia. En estos equipos se obtiene eficiencias del orden del 90% [9, 10]. Equipos ultrasnicos La alimentacin de cargas ultrasnicas es otra aplicacin relativamente reciente de los in-versores resonantes. En estas aplicaciones se alimentan cargas construidas con materiales pie-zoelctricos, con una onda de tensin de alta frecuencia (por encima del margen audible de 20 kHz)demaneraquelaenergaelctricaestransformadaenenergamecnicaquepuedeser transformada de nuevo en energa elctrica (transformadores piezoelctricos, motores ultras-nicos), o simplemente empleada como medio de obtencin de informacin (sonar, ecografa, etc.) [11-13]. INTRODUCCIN A LOS INVERSORES RESONANTES 3 Procesos electrostticos En determinados procesos electrostticos, como por ejemplo la descarga en corona, es til el empleo de un inversor resonante de alta frecuencia. Algunos ejemplos de aplicacin son el tratamiento de materiales por descarga en corona, la separacin de sustancias y la generacin de ozono [ 6-8]. Reguladores CC-CC conmutados Losreguladoresconmutadosdetensincontinuapuedenimplementarseenbaseaunin-versor resonante sin mas que aadir un rectificador a la salida del mismo. En este caso suele hablarse de reguladores conmutados resonantes. Presentan la ventaja de manejar evoluciones senoidales en los interruptores, con lo que las prdidas de conmutacin son menores, pudien-doelevarseportantolafrecuenciadeconmutacin.Deestaformaseconsiguenequiposde alimentacinconunaelevadarelacinpotencia/volumen,altaeficienciaymuybuenares-puesta dinmica [17-24]. Secompruebaportantoquelosinversoresresonantesdealtafrecuenciacorrespondena topologas de alimentacin de amplio uso, cuyo estudio no debe ser obviado en un programa actual de Electrnica de Potencia.En esta introduccin se presentarn los conceptos bsicos sobre el tema, las diferentes eta-pas de un inversor resonante as como sus caractersticas. En la seccin segunda se mostrarn las diferentes topologas de inversores, los mtodos y parmetros de control ms empleados, y sus diferentes modos de funcionamiento. En el apartado tercero se presenta la metodologa de estudio esttico de los inversores re-sonantesyseobtienealgunasdesuscaractersticasmsinteresantes.Sefinalizaelapartado con una comparacin de los diferentes inversores as como algunos comentarios que ayudan a la seleccin de la topologa ms adecuada para cada aplicacin. Finalmente,elcuartoapartadoestdedicadoaintroducireltemadelmodeladodinmico deconvertidoresdepotenciayenparticulardelosinversoresresonantes.Sepresentaenl tanto la metodologa de anlisis como algunos ejemplos de modelado dinmico de convertido-res de potencia. LECCIN DE OPOSICIN 4 1.2.Parmetros caractersticos de un inversor La figura 1.1 muestra un inversor alimentando una carga genrica. El inversor se caracteri-za bsicamente por la calidad de su onda de salida, que en general puede ser una tensin o una corriente. Cuanto menor sea el contenido en armnicos de la onda de salida ms prxima ser sta a una onda senoidal pura. En este sentido se definen los parmetros siguientes: FuentePrimariaInversor CargaV, ICCCC-CA CA Figura 1.1. Esquema de conversin CC-CA Distorsin del armnico n: 1VVDnn (1.1) donde Vn y V1 representan el valor eficaz del armnico de orden n y fundamental respectiva-mente. Distorsin armnica total: 100... ...(%)12 2322+ + + +VV V VTHDn(1.2) Puesto que los armnicos de orden superior tienen un peso cada vez inferior en la onda de salida del inversor y son por tanto ms fciles de filtrar, suelen definirse tambin factores de distorsin ponderados, de la forma siguiente:Factor de distorsin del armnico n: n VVDFnn1(1.3) INTRODUCCIN A LOS INVERSORES RESONANTES 5 Factor de distorsintotal: 100 (%)1... 3 , 22

,_

VnVTDFn(1.4) 1.3.Diagrama de bloques de un inversor resonante La Figura 1.2 muestra el diagrama de bloques de un inversor resonante, tanto para el caso dealimentacinentensin(Fig.1.2a)comoparaelcasodealimentacinencorriente(Fig. 1.2b). Se observa que est formado por cinco etapas fundamentales: Fuente primaria de continua Inversor esttico de alta frecuencia Circuito resonante Transformador de alta frecuencia Circuito de gobierno y control FuentePrimariaInversor A.F.CircuitoResonante CargaTransformadorA.F.CircuitodeControlFuentePrimaria Inversor A.F.CircuitoResonante CargaTransformadorA.F.CircuitodeControl(a)(b)IE Figura 1.2.Diagrama de bloques de un inversor resonante: (a) Alimentado en tensin y (b) alimentado en corriente. LECCIN DE OPOSICIN 6 Fuente primaria de continua La fuente de alimentacin continua genera la tensin de entrada del inversor. En principio podra ser una batera tal como representa la figura 1.2a, o de manera ms general una etapa de convers