Inversores
Con la misma fundamental, la modulación unipolar lleva los armónicos al doble de la frecuencia de portadora y baja la distorsión de 146 % a 77 %: la carga inductiva los filtra mucho mejor.
01El inversor en puente
Un inversor genera tensión alterna a partir de una fuente de continua. El monofásico en puente H tiene dos ramas de dos llaves; conectando la carga en diagonal, entre los puntos medios, puede ponerle \( +V_{dc} \), \( -V_{dc} \) o cero. El trifásico tiene tres ramas, una por fase. Cada llave lleva un diodo en antiparalelo, porque con carga inductiva la corriente sigue circulando cuando la llave se abre. Entre el apagado de una llave y el encendido de la otra de la misma rama se deja un tiempo muerto de fracciones de microsegundo para no cortocircuitar la fuente.
Conmutando una vez por semiciclo se obtiene una onda cuadrada, con la fundamental máxima, \( \frac{4}{\pi} V_{dc} \), pero con todos los armónicos impares, de amplitud \( 1/h \), y sin posibilidad de variar la tensión.
02Modulación de ancho de pulso senoidal
En la PWM senoidal se compara una referencia senoidal de la frecuencia deseada con una portadora triangular mucho más rápida. El índice de modulación de amplitud \( m_a \) es la relación entre sus amplitudes y el de frecuencia \( m_f \), entre sus frecuencias. En la zona lineal, la fundamental de la salida es proporcional a \( m_a \):
Un puente H alimentado con 400 V que genera 50 Hz. Arriba, la tensión de salida en un ciclo con la referencia escalada (amarillo); abajo, los armónicos impares en porcentaje de la fundamental, hasta algo más de \( 2 m_f \).
La distorsión de la tensión parece enorme, pero lo que importa es la corriente: una carga inductiva, como un motor, atenúa cada armónico en proporción a su orden, y los de orden alto casi no producen corriente. Por eso conviene una portadora rápida, con el límite de las pérdidas de conmutación vistas en dispositivos de potencia.
03Inversor trifásico y otras técnicas
En el inversor trifásico se usan tres referencias desfasadas 120°. Los armónicos múltiplos de tres se cancelan en las tensiones de línea, y con \( m_f \) múltiplo de tres desaparecen también los que rodean a la portadora. La modulación vectorial (SVPWM) elige en cada período los estados del puente que sintetizan el vector de tensión deseado, y aprovecha un 15 % más del bus de continua que la senoidal. Para tensiones altas se usan los inversores multinivel —de punto neutro fijo o de puentes en cascada—, cuya salida tiene más escalones, menos armónicos y llaves que soportan solo una parte de la tensión.
04En el laboratorio
Generar PWM senoidal con un microcontrolador sobre un puente H de baja tensión y observar la corriente en una carga RL.
Con la FFT del osciloscopio, medir el espectro de la tensión con modulación bipolar y unipolar.
Aumentar el tiempo muerto y observar la deformación de la corriente cerca de sus cruces por cero.
05Errores frecuentes
- Juzgar el inversor por la distorsión de la tensión. Lo que calienta el motor es la corriente armónica.
- Olvidar el tiempo muerto. Sin él, las dos llaves de una rama se solapan; con demasiado, se deforma la corriente.
- Esperar ganancia lineal en sobremodulación. La fundamental satura hacia la de la onda cuadrada.
- Elegir mf par. Aparecen armónicos pares y la onda pierde su simetría.
06Autoevaluación
¿Qué fundamental da un puente de 400 V con ma = 0,8?
320 V de pico, unos 226 V eficaces.
¿Y con onda cuadrada?
\( \frac{4}{\pi} \cdot 400 \approx 509 \) V de pico.
Con mf = 21, ¿dónde están los primeros armónicos importantes en modulación unipolar?
Alrededor de 2 mf: en 41 y 43.
¿Para qué sirven los diodos en antiparalelo con las llaves?
Para dar paso a la corriente de la carga inductiva cuando la llave se abre.
07Para ampliar
- Ned Mohan, Tore M. Undeland y William P. Robbins. Power Electronics: Converters, Applications, and Design. 3.ª ed., Wiley, 2003. Los inversores con modulación senoidal, con sus tablas de armónicos.
- D. Grahame Holmes y Thomas A. Lipo. Pulse Width Modulation for Power Converters: Principles and Practice. Wiley-IEEE Press, 2003. La referencia sobre todas las técnicas de modulación.
- Bin Wu y Mehdi Narimani. High-Power Converters and AC Drives. 2.ª ed., Wiley-IEEE Press, 2017. Los inversores multinivel y los accionamientos de gran potencia.