03.06 Bus de condensadores
# Bus de condensadores
En un inversor de fuente de voltaje (VSI), el bus de condensadores tiene dos funciones principales:
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Minimizar el rizado de tensión: El rizado de tensión en el bus de continua está causado por la conmutación de los dispositivos semiconductores. El bus de condensadores ayuda a reducir este rizado de tensión, lo que es crucial para evitar fluctuaciones en la tensión máxima que se puede consignar al motor.
El rizado de tensión se calcula como:
$$V_{\text{ripple}} = \frac{I_{\text{C,RMS}}}{C \cdot f_{\text{conm}}} \text{ ,}$$ donde:
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$V_{\text{ripple}}$ es el rizado de tensión producido, -
$I_{\text{C,RMS}}$ es la corriente alterna del bus de condensadores, -
$C$ es la capacitancia del bus de condensadores, y -
$f_{\text{conm}}$ es la frecuencia de conmutación.
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Proporcionar la potencia reactiva: Además de la reducción del rizado de tensión, los condensadores en el bus también proporcionan potencia reactiva necesaria para compensar la carga inductiva del motor.
Para dimensionar adecuadamente el bus de condensadores en un inversor de fuente de voltaje, se deben considerar las siguientes condiciones:
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$V_C > 1.1 \cdot V_{\text{max}}$ Donde:
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$V_C$ es el voltaje del bus de condensadores, -
$V_{\text{max}}$ es la tensión máxima DC.
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$I_{C,\text{RMS}} \approx 0.65 \cdot I_{\text{fase,RMS}}$ Donde:
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$I_{C,\text{RMS}}$ es la corriente efectiva del bus de condensadores, -
$I_{\text{fase,RMS}}$ es la corriente efectiva de fase, - El factor 0.65 se utiliza para estimar la corriente RMS máxima del bus de condensadores en el peor caso, que con una modulación SVPWM se da cuando el índice de modulación es de aproximadamente 60% .
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$C > \frac{I_{C,\text{RMS}}}{V_{\text{ripple}} \cdot f_{\text{conm}}}$ Donde:
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$C$ es la capacitancia del bus de condensadores, -
$V_{\text{ripple}}$ es el rizado de tensión permitido, -
$f_{\text{conm}}$ es la frecuencia de conmutación.
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Es fácil ver como reducir la frecuencia de conmutación aumentará proporcionalmente el rizado de tensión para la misma corriente de salida.
Ahora, aplicando estas consideraciones a los valores del diseño:
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$V_C > 1.1 \cdot V_{\text{max}} = 1.1 \cdot 600 \text{ V} = 660 \text{ V} \rightarrow 850 \text{ V}$
Escoger condensadores con un límite de tensión más grande es más seguro para transitorios y el régimen de trabajo en debilitamiento de campo. -
$I_{C,\text{RMS}} \approx 0.65 \cdot I_{\text{fase,RMS}} = 0.65 \cdot 80 \text{ A,RMS} = 52 \text{ A,RMS}$
Se debe asegurar que el condensador puede soportar esta corriente, idealmente sin refrigeración. En caso de usar múltiples condensadores para formar el bus, la corriente se reparte de forma proporcional entre cada uno de ellos. -
$C > \frac{I_{C,\text{RMS}}}{V_{\text{ripple}} \cdot f_{\text{conm}}} = \frac{52 \text{ A,RMS}}{15 \text{ V} \cdot 40 \text{ kHz}} \approx 87 \text{ }\text{\unit{\micro\farad}} \rightarrow 100 \text{ }\text{\unit{\micro\farad}}$
Conviene sobredimensionar la capacitancia tanto como sea posible atendiendo a límites mecánicos y de ensamblaje. Para el valor de$V_{\text{ripple}}$ se suele considerar un 5% de la tensión mínima de funcionamiento, que en este caso es de entorno a los 350 V ($\frac{15 \text{ V}}{350 \text{ V}} = 4.3\text{ }%$ ). Además, se puede jugar con el margen proporcionado para probar frecuencias de conmutación más bajas, dado que los inversores comerciales analizados muestran relaciones de capacitancia - frecuencia mucho más altas.
Se ha optado por un diseño con 10 condensadores del modelo FHA85Y106KS de la serie FH de Murata. A continuación se detallan las razones para esta elección:
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Material: La serie FH de Murata tiene condensadores de película, cuya resistencia interna es muy inferior a la de un condensador electrolítico, lo cual es crucial para minimizar las pérdidas en el condensador.
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Densidad de capacitancia: Esta serie de condensadores presenta una alta densidad de capacitancia de entorno a
$0.6\text{ }\frac{\text{\unit{\micro\farad}}}{\text{cm}^3}$ . Esto va a permitir compactificar el diseño bastante. -
Tensión máxima: Con una gama de 500 V y otra 850 V, estos últimos están dentro del rango necesario para operar de manera segura, incluso en debilitamiento de campo, donde en caso de error, la tensión de bus podría ser superior a 600 V.
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Temperatura de operación: Tienen un rango de temperatura de operación amplio, que va desde -40 °C hasta +125 °C. Dado que se prefiere evitar su refrigeración, el hecho de que aguanten altas temperaturas permite tener más confiabilidad en la corriente que pueden soportar y el calentamiento que esta va a provocar.
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Frecuencia de operación: Los condensadores FHA85Y106KS están diseñados para operar en frecuencias de hasta 200 kHz, cuatro veces superior a la frecuencia de conmutación escogida.
Se evalúa el comportamiento térmico utilizando la hoja de datos:
Dado que hay 10 condensadores, la corriente máxima de cada uno es de
