- Funcionament del convertidor de 3 fases
- A) Inversor trifàsic: mode de conducció de 180 graus
- A) Inversor trifàsic: mode de conducció de 120 graus
Tots sabem sobre l’inversor: és un dispositiu que converteix CC en corrent altern. I prèviament vam aprendre sobre diferents tipus d’inversors i vam construir un inversor monofàsic de 12v a 220v. Un inversor de 3 fases converteix el voltatge de CC en un subministrament de CA de 3 fases. Aquí, en aquest tutorial, coneixerem l’ inversor trifàsic i el seu funcionament, però abans d’anar més enllà fem una ullada a les formes d’ona de tensió de la línia trifàsica. En el circuit anterior, una línia trifàsica està connectada a una càrrega resistiva i la càrrega treu energia de la línia. Si dibuixem les formes d'ona de tensió per a cada fase, tindrem un gràfic com es mostra a la figura. Al gràfic, podem veure que tres formes d'ona de tensió estan desfasades entre si per 120º.
En aquest article, analitzarem el circuit inversor de 3 fases que s’utilitza com a convertidor de corrent continu a trifàsic. Recordeu que, fins i tot en l'actualitat, aconseguir una forma d'ona completament sinusoïdal per a diferents càrregues és extremadament difícil i no és pràctic. Així, doncs, aquí analitzarem el funcionament d’un circuit convertidor trifàsic ideal ignorant tots els problemes relacionats amb el pràctic inversor trifàsic.
Funcionament del convertidor de 3 fases
Vegem ara el circuit inversor de 3 fases i la seva forma simplificada ideal.
A continuació es mostra un diagrama del circuit inversor trifàsic dissenyat amb tiristors i díodes (per a protecció contra pics de tensió)
I a continuació es mostra un diagrama de circuits de l’inversor trifàsic dissenyat només amb interruptors. Com podeu veure, aquesta configuració de sis interruptors mecànics és més útil per entendre el funcionament del convertidor trifàsic que el pesat circuit de tiristor.
El que farem aquí és obrir i tancar simètricament aquests sis interruptors per obtenir la sortida de tensió trifàsica de la càrrega resistiva. Hi ha dues maneres possibles d’activar els commutadors per aconseguir el resultat desitjat, una en què els interruptors condueixen a 180º i una altra en què els interruptors només condueixen a 120º. Analitzem cada patró a continuació:
A) Inversor trifàsic: mode de conducció de 180 graus
El circuit ideal es dibuixa abans de poder dividir-lo en tres segments, és a dir, el segment un, el segment dos i el segment tres, i els utilitzarem en la secció posterior de l'article. El primer segment consisteix en un parell d’interruptors S1 i S2, el segon segment consisteix en un parell de commutació S3 i S4 i el segment tres consisteix en un parell de commutació S5 i S6. En un moment donat, tots dos commutadors del mateix segment no s’han de tancar mai, ja que comporta que els curtcircuits de la bateria fallin en la configuració completa, de manera que s’ha d’evitar en tot moment aquest escenari.
Comencem ara la seqüència de commutació tancant l’interruptor S1 al primer segment del circuit ideal i anomenem l’inici com a 0º. Com que el temps de conducció seleccionat és de 180º, l' interruptor S1 es tancarà de 0º a 180º.
Però després de 120º de la primera fase, la segona fase també tindrà un cicle positiu tal com es veu al gràfic de tensió trifàsica, de manera que l’interruptor S3 es tancarà després de S1. Aquest S3 també es mantindrà tancat durant 180º més. Així doncs, S3 es tancarà de 120º a 300º i estarà obert només després de 300º.
De la mateixa manera, la tercera fase també té un cicle positiu després de 120º del cicle positiu de la segona fase, tal com es mostra al gràfic al començament de l'article. Així doncs, l’interruptor S5 es tancarà després de tancar S3 120º, és a dir, 240º. Un cop tancat l'interruptor, es mantindrà tancat per arribar a 180º abans d'obrir-se, amb la qual cosa el S5 es tancarà de 240º a 60º (segon cicle).
Fins ara, tot el que fèiem era suposar que la conducció es feia un cop tancats els interruptors de la capa superior, però per completar el flux de corrent del circuit. A més, recordeu que tots dos commutadors del mateix segment no haurien d’estar mai tancats al mateix temps, de manera que si un interruptor està tancat, un altre ha d’estar obert.
Per satisfer les dues condicions anteriors , tancarem S2, S4 i S6 en un ordre predeterminat. Per tant, només després d'obrir S1 haurem de tancar S2. De la mateixa manera, S4 es tancarà després que S3 s’obri a 300º i de la mateixa manera S6 es tancarà després que S5 completi el cicle de conducció. Aquest cicle de commutació entre commutadors del mateix segment es pot veure a la figura següent. Aquí S2 segueix S1, S4 segueix S3 i S6 segueix S5.
Seguint aquest canvi simètric, podem aconseguir la tensió trifàsica desitjada representada al gràfic. Si omplim la seqüència de commutació inicial a la taula anterior, tindrem un patró de commutació complet per al mode de conducció de 180º com es mostra a continuació.
A partir de la taula anterior podem entendre que:
De 0 a 60: S1, S4 i S5 es tanquen i s’obren els tres commutadors restants.
De 60 a 120: S1, S4 i S6 es tanquen i s’obren els tres commutadors restants.
De 120 a 180: S1, S3 i S6 es tanquen i s’obren els tres commutadors restants.
I la seqüència de commutació continua així. Ara dibuixem el circuit simplificat per a cada pas per entendre millor els paràmetres de cabal i tensió actuals.
Pas 1: (per a 0-60) S1, S4 i S5 es tanquen mentre els tres commutadors restants estan oberts. En aquest cas, el circuit simplificat pot ser el que es mostra a continuació.
Per tant, de 0 a 60: Vao = Vco = Vs / 3; Vbo = -2Vs / 3
Utilitzant aquests podem derivar les tensions de línia com:
Vab = Vao - V bo = Vs Vbc = Vbo - Vco = -Vs Vca = Vco - Vao = 0
Pas 2: (de 60 a 120) S1, S4 i S6 es tanquen mentre els tres commutadors restants estan oberts. En aquest cas, el circuit simplificat pot ser el que es mostra a continuació.
Per tant, de 60 a 120: Vbo = Vco = -Vs / 3; Vao = 2Vs / 3
Utilitzant aquests podem derivar les tensions de línia com:
Vab = Vao - Vbo = Vs Vbc = Vbo - Vco = 0 Vca = Vco - Vao = -Vs
Pas 3: (de 120 a 180) S1, S3 i S6 es tanquen mentre els tres commutadors restants estan oberts. En aquest cas, es pot dibuixar el circuit simplificat de la manera següent.
Per tant, de 120 a 180: Vao = Vbo = Vs / 3; Vco = -2Vs / 3
Utilitzant aquests podem derivar les tensions de línia com:
Vab = Vao - V bo = 0 Vbc = Vbo - Vco = Vs Vca = Vco - Vao = -Vs
De la mateixa manera, podem obtenir les tensions de fase i tensions de línia per als passos següents de la seqüència. I es pot mostrar com la figura següent:
A) Inversor trifàsic: mode de conducció de 120 graus
El mode de 120º és similar a 180º en tots els aspectes excepte que el temps de tancament de cada commutador es redueix a 120, que eren 180 abans.
Com és habitual, comencem a canviar la seqüència tancant l’interruptor S1 al primer segment i passem a ser el número d’inici a 0º. Com que el temps de conducció seleccionat és de 120º, l'interruptor S1 s'obrirà després de 120º, de manera que el S1 es va tancar de 0º a 120º.
Com que el mig cicle del senyal sinusoïdal va de 0 a 180º, durant el temps restant S1 estarà obert i es representa per la zona gris de dalt.
Ara, després de 120º de la primera fase, la segona fase també tindrà un cicle positiu, tal com s'ha esmentat anteriorment, de manera que l'interruptor S3 es tancarà després de S1. Aquest S3 també es mantindrà tancat durant 120º més. Per tant, S3 es tancarà de 120º a 240º.
De la mateixa manera, la tercera fase també té un cicle positiu després de 120º del segon cicle positiu, de manera que l’interruptor S5 es tancarà després de tancar 120º de S3. Un cop tancat l’interruptor, es mantindrà tancat per arribar a 120º abans d’obrir-se i, amb això, l’interruptor S5 es tancarà de 240º a 360º
Es continuarà aquest cicle de commutació simètrica per aconseguir la tensió trifàsica desitjada. Si emplenem la seqüència de commutació inicial i final a la taula anterior, tindrem un patró de commutació complet per al mode de conducció de 120º com es mostra a continuació.
A partir de la taula anterior podem entendre que:
De 0 a 60: S1 i S4 es tanquen mentre s’obren els interruptors restants.
De 60 a 120: S1 i S6 es tanquen mentre els interruptors restants s’obren.
De 120 a 180: S3 i S6 es tanquen mentre s’obren els interruptors restants.
De 180 a 240: S2 i S3 es tanquen mentre s’obren els interruptors restants
De 240 a 300: S2 i S5 es tanquen mentre s’obren els interruptors restants
De 300 a 360: S4 i S5 es tanquen mentre s’obren els interruptors restants
I aquesta seqüència de passos continua així. Ara dibuixem el circuit simplificat per a cada pas per entendre millor els paràmetres de cabal i tensió del circuit del inversor de 3 fases.
Pas 1: (per a 0-60) S1, S4 es tanquen mentre els quatre commutadors restants estan oberts. En aquest cas, el circuit simplificat es pot mostrar com es mostra a continuació.
Per tant, de 0 a 60: Vao = Vs / 2, Vco = 0; Vbo = -Vs / 2
Utilitzant aquests podem derivar les tensions de línia com:
Vab = Vao - V bo = Vs Vbc = Vbo - Vco = -Vs / 2 Vca = Vco - Vao = -Vs / 2
Pas 2: (de 60 a 120) S1 i S6 es tanquen mentre els interruptors restants estan oberts. En aquest cas, el circuit simplificat es pot mostrar com es mostra a continuació.
Per tant, de 60 a 120: Vbo = 0, Vco = -Vs / 2 i Vao = Vs / 2
Utilitzant aquests podem derivar les tensions de línia com:
Vab = Vao - Vbo = Vs / 2 Vbc = Vbo - Vco = Vs / 2 Vca = Vco - Vao = -Vs
Pas 3: (de 120 a 180) S3 i S6 es tanquen mentre els interruptors restants estan oberts. En aquest cas, el circuit simplificat es pot mostrar com es mostra a continuació.
Per tant, de 120 a 180: Vao = 0, Vbo = Vs / 2 i Vco = -Vs / 2
Utilitzant aquests podem derivar les tensions de línia com:
Vab = Vao - V bo = -Vs / 2 Vbc = Vbo - Vco = Vs Vca = Vco - Vao = -Vs / 2
De la mateixa manera, podem obtenir les tensions de fase i tensions de línia per als propers passos. I si dibuixem un gràfic per a tots els passos, obtindrem alguna cosa com a continuació.
Es pot observar en els gràfics de sortida de casos de commutació de 180º i 120º que hem aconseguit una tensió trifàsica alternativa als tres terminals de sortida. Tot i que la forma d'ona de sortida no és una ona sinusoïdal pura, s'assemblava a la forma d'ona de tensió trifàsica. Es tracta d’un circuit ideal senzill i d’una forma d’ona aproximada per entendre el funcionament dels inversors trifàsics. Podeu dissenyar un model de treball basat en aquesta teoria mitjançant tiristors, commutació, control i circuits de protecció.