Motion Control TIP : ¿Porque todos los inverters emplean la técnica de modulación PWM?

¿Por que todos los inverters emplean la técnica de modulación PWM?

Porque reduce la potencia disipada en los semiconductores (BJT, IGBT, MOSFET) a nivel de solo las perdidas.

Seguidamente se explica de forma detallada

Un poco de repaso a conceptos básicos:

Los transistores, sean del tipo que sean, BJT, IGBT, MOSFET, Etc. Pueden trabajar en la zona lineal o en conmutación, simplificando al máximo podríamos decir que cuando trabajan en la zona lineal son amplificadores de señal y trabajando en conmutación se comportan como relés de estado sólido o como contactos que abren y cierran, como si fueran interruptores.

Con los siguientes circuitos, como ejemplo calcularemos la potencia de Q1,,Q4

Calculo la potencia disipada por un transistor

La potencia disipada por un transistor es el producto de la tensión entre el colector y el emisor por la corriente que circula por el colector. En ambos modos de trabajo, tal como se muestra en la formula del gráfico (verde).

En el caso del transistor trabajando en la zona lineal, como amplificador. Supongamos que la tensión en el punto rojo de la imagen son 200 V y la resistencia es de 24 Ω, circulará una corriente de 200 / 24 = 8,33 A. La tensión entre colector y emisor (suponiendo que V+ = 400 V) será de 400 – 200 = 200 V. Por lo tanto, la potencia disipada por el transistor será:

P = 200 * 8,33; = 1666,6 W;

Lo que es un valor muy elevado. Veamos que ocurre en el caso de que el transistor trabaje en conmutación. Si cerramos el transistor Q1 y Q4 la resistencia RL quedará conectada a +V y a masa, por tanto, a 400 V y circulará una corriente de 400 / 24 = 16,66 A. La tensión entre colector y emisor será la de un contacto cerrado, 0V, pero por perdidas caerá una tensión aproximada de 1,5 V. La potencia disipada por el transistor será:

P = 1,5 * 16,66; = 25 W;

Lo que es un valor muy inferior y eso que lo hemos calculado a 400 V, cosa que en el caso anterior fue a 200 V. Pero de que me sirve esto, si solo puedo conectar / desconectar la carga y lo que necesito es una determinada onda.

La modulación de anchura de impulso o PWM

Gracias a la modulación de anchura de impulso conseguiremos que la corriente por la carga tenga la forma de onda y la frecuencia deseadas. Empecemos por los conceptos más básicos, se parte de una frecuencia de modulación, que se mantendrá constante –valor típico en los VFD y servo drives de 4, 8 o 16 KHz-. Teniendo esta frecuencia como base, la salida se modulará en anchura del impulso para conseguir distinto valores medios de tensión. El valor medio de la tensión será su valor por el % del ciclo de trabajo.

Suponiendo una tensión de 400 Vdc, en el primer caso, con una modulación del 10% obtendríamos un valor medio de tensión de 400 x 0,1 = 40V. En el siguiente ejemplo con un ciclo de trabajo del 33% obtendríamos una tensión media de 400 x 0,33 = 133,2 V En el último caso con un ciclo de trabajo del 90% tendríamos 400 x 0,9 = 360 V Dado que podemos cambiar el ciclo de trabajo continuamente, en cada instante podemos calcularlo para conseguir el valor medio de tensión deseado. Las técnicas para generar la señal dependerán de la tecnología empleada, desde un simple comparador con amplificadores operacionales, una FPGA, o un µControlador.

PWM con un comparador analógico

Este circuito solo pretende clarificar el funcionamiento de una modulación PWM, hay muchas formas y circuitos para conseguirlo, pero esta se entiende muy bien.

Como se convierte la señal cuadrada a analógica

Convertir esos impulsos que van variando su ciclo de trabajo en un valor medio de tensión es tarea para los filtros, normalmente pasa bajos, que se encargarán de eliminar la alta frecuencia de la señal de modulación y amortiguar la señal cuadrada convirtiéndola en un nivel de tensión proporcional al ancho del impulso. Un circuito de ejemplo podría ser algo como el que se muestra a continuación:

En este caso podría tratarse de una señal de audio o cualquier señal analógica generada por esa técnica. En tal caso la ventaja ya no está relacionada con la potencia de los semiconductores, sino con el ahorro de circuitos analógicos. R C Entrada PWM Salida filtrada Filtro pasa bajos de 1er orden

Y en el caso de los inversores.

Cuando la carga es inductiva, como el caso de un motor AC en un VDF o un servo brushless en un servo drive, lo que es prácticamente lo mismo, lo importante es que la forma de la corriente sea lo más senoidal posible. De ello se encargan los propios devanados del motor junto con algún filtro LC en el interior del inversor. En la imagen inferior se observan los impulsos de la modulación de la tensión de la fase U, pero sin embargo la corriente en la imagen de la derecha ya presenta una forma senoidal.

Resumen / Conclusiones

1. La modulación PWM es lo que permite la fabricación de VDFs y servo drives, por el hecho de que los transistores trabajan en conmutación.

2. Si la salida de un VDF fuese una senoidal pura creada con un generador de funciones y ajustable en tensión y frecuencia con un amplificador de potencia lineal, sería ideal. Pero no existen transistores de tal potencia.

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