FASE 3 - DISEÑAR LA ETAPA DE POTENCIA Y FILTRADO 203039 – ELECTRONICA DE POTENCIA
DAGLY SÁNCHEZ CARVAJAL, CÓDIGO 79185472 JOSÉ EUSEBIO LÓPEZ JUNCO, CÓDIGO: 74338899 EDWAR MAURICIO CARDONA, CÓDIGO: 1018345738 CARLOS ANDRES JAIMES
Presentado a: JAIRO LUIS GUTIERREZ Curso: 203039_9_fase1
UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA ESCUELA DE CIENCIAS BÁSICAS, TECNOLOGÍA E INGENIERÍA NOVIEMBRE DE 2017
INTRODUCCIÓN
Este trabajo colaborativo contiene un estudio sobre circuito driver de la etapa de potencia, diseño del circuito LC que filtrara la salida del puente inverso, método de regulación de la tensión y corriente de salida frente a la distorsión armónica inyectada, en el cual se estudian los diferentes materiales indicados en el entorno de conocimiento para la fase 3, y se hace solución a los interrogantes planteados en la guía de actividades.
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PROBLEMA A SOLUCIONAR Suponga que trabaja para una compañía que diseña, prueba, fabrica y comercializa varios instrumentos electrónicos, incluyendo fuentes de alimentación ininterrumpidas (UPS). Su primera asignación es, desarrollar y probar en el en simulador de circuitos electrónicos el circuito convertidor DC/AC que se usara para la fabricación de UPS e Inversores para ser usados en automóviles. El diseño debe satisfacer las siguientes especificaciones: ♦ Voltaje DC de entrada 12 V. ♦ Voltaje AC de Salida 120 V a 60 Hz. ♦ Potencia de salida de 100 a 1000 W.
DESARROLLO DE LA ETAPA 3 3.1 Se debe presentar el circuito driver de la etapa de potencia y se debe explicar la función del mismo. Un circuito Driver, representa el enlace entre las señales lógicas de control y las señales de potencia, corriente que circula por los bobinados. Éstas tienen que responder con rapidez a las excitaciones, así como proporcionar la corriente necesaria a la tensión de trabajo requerida para la alimentación. Representan los interruptores de potencia que conmutan según el control, formados por transistores bipolares, MOSFETS, etc.
Los drivers tienen como función principal excitar cada una de las ramas del puente inversor, además tenemos un filtro LC para reducir el contenido armónico de alta
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frecuencia. Los drivers de disparo de los IGBT’s del puente inversor utilizan la técnica Boots Strip, y se alimentan a partir de la segunda salida del convertidor Fly-back DC/DC. Básicamente la función esencial de un driver en la etapa de disparo es la de adaptación de la señal de control (proveniente de la técnica de modulación SPWM) de los transistores, a la señal adecuada para que estos trabajen en su zona de corte o zona óhmica. Los semiconductores a emplear en esta etapa son transistores Mosfet, IGBT, o BJT, para este caso, de acuerdo a mi propuesta y siguiendo las recomendaciones del tutor, emplearé un Driver con el circuito integrado IR2110 el cual viene diseñado especialmente para controlar el disparo de transistores Mosfet. (Martín Delgado, 2012) Para que el funcionamiento del driver sea realmente efectivo, este debe alcanzar como mínimo los siguientes aspectos: Debe generar una entrada de elevada impedancia con respecto a la del circuito de control Adaptación de los niveles de voltaje o caída de tensión
Figura 1. Driver para el disparo de un Mosfet. (Martín Delgado, 2012)
Debe propiciar una capacidad de corriente de salida 𝑖𝐺 alta, lo cual genera una velocidad eficiente de conmutación, influyendo directamente en la velocidad de carga y descarga del capacitor 𝐶𝑖𝑠𝑠 . (Martín Delgado, 2012)
Para la presente propuesta, se ha diseñado la etapa de disparo con la utilización de dos circuitos integrados IR2110, para controlar cuatro transistores Mosfet de un puente H. En la siguiente figura se estudiará el funcionamiento del driver IR2110 a través du su driagrama de bloques. El IR2110 es un driver para transistores Mosfet de canal N de alta velocidad; lo conforman dos driver independientes como se muestra en la figura, uno en la parte de arriba para el Mosfet NO referenciado a tierra y otro en la parte de abajo para el Mosfet referenciado a tierra. Posee un Buffer de entrada de alta impedancia y una entrada para deshabilitar el driver en cualquier momento. De igual forma este dispositivo 4
contiene un cambio de niveles para el disparo del transistor que NO se encuentra referenciado a tierra a partir de un voltaje de bootstrap o tensión flotante; y finalmente incorpora un bloque de salida de alta corriente que permite el swicheo rápido de los interruptores con el fin de reducir las pérdidas en la conmutación. (Martín Delgado, 2012)
Figura 2. Diagrama de bloques Driver IR2110. (Martín Delgado, 2012) Circuito Driver para la etapa de potencia para la conmutación de un puente H. Se deben implementar dos de estos circuitos uno para cada rama del puente H
Figura 3. Conexión del IR2110 para una rama del puente H. (Martín Delgado, 2012) 𝑉𝐷𝐷 Alimentación de la parte lógica del circuito 𝐻𝐼𝑁 Entrada de control, parte alta del Driver cuya salida en fase es HO 𝐿𝐼𝑁 Entrada de control, parte baja del Driver cuya salida en fase es LO 5
𝑆𝐷 Entrada de control de apagado del Driver 𝑉𝑆𝑆 Tierra del circuito lógico 𝑉𝐵 Tensión flotante referenciado a 𝑉𝑆 para el disparo del Mosfet de arriba 𝑉𝐶𝐶 Tensión referenciada a COM para el disparo del Mosfet de abajo
Imagen tomada de: cuadrada/img41.png
http://www.monografias.com/trabajos105/inversores-onda-
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3.2 Se debe diseñar el circuito LC que filtrara la salida del puente inversor. ¿Por qué es necesario filtrar la salida? El objetivo del filtrado es ofrecer a la carga únicamente el primer armónico de la tensión que ha sintetizado el inversor, prescindiendo de los armónicos de orden superior que esta tensión lleva asociados.
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La función principal del filtro de salida consiste en disminuir los armónicos de alto orden sin afectar la frecuencia fundamental. La figura muestra combinaciones para diseño del filtro: LC paralelo, LC serie, LCC serie LCC paralelo.
Para este punto se debe tener en cuenta las frecuencias de las señales portadora y moduladora implementadas en la etapa de control SPWM, y de allí nace la razón fundamental por la cual se hace necesario el filtrado de la señal en la salida de la etapa de potencia, con esto resolveremos el interrogante del por qué se requiere de dicho filtro Si recordamos en la etapa de control, la técnica de modulación SPWM se componé por dos señales, una de referencia que es una señal senoidal pura de 60 Hz, y una señal triangular denominada la portadora cuya frecuencia fue de 2KHz, es decir, 2000 Hz. Ahora bien, para la entrega final de nuestro inversor sólo se requiere la frecuencia de la fundamental (60 Hz), por lo cual al tener esta otra frecuencia de 2000 Hz, nos genera a la salida lo que se conoce como distorsión armónica, que no es otra cosa que frecuencias parásitas que se encuentran inmersas en la fundamental, pero que son de orden superior a la misma, y que no deben entregarse a la carga, por tanto, se requiere de un filtro pasa baja que como su nombre lo indica deja pasar las frecuencias bajas que será la de 60 Hz y desprecia, o no deja pasar, las frecuencias altas introducidas en el sistema en el control SPWM. Existen filtros pasivos y filtros activos, los pasivos son los que se componen únicamente de elementos pasivos como resistencias, inductores y capacitores, a diferencia de los filtros activos que se diseñan con amplificadores operacionales. Para el presente diseño se utilizará un filtro pasivo pasa baja LC como lo muestra la figura
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Figura 4. Filtro pasa baja LC. (Gonzalez) Diseño: Señal portadora = 2000 Hz Señal Moduladora = 60 Hz Se deben seguir los siguientes parámetros para un buen diseño de nuestro filtro pasa baja LC: La frecuencia de corte que es la frecuencia sobre la cual se realizarán los cálculos debe ser 10 veces mayor que la frecuencia de la moduladora y paralelo a esto debe ser 10 veces menor que la frecuencia de la Portadora. 𝑓𝑐𝑜𝑟𝑡𝑒 = 10 ∗ 60𝐻𝑧 ⟹ 𝑓𝑐𝑜𝑟𝑡𝑒 = 600𝐻𝑧 𝑓𝑐𝑜𝑟𝑡𝑒 =
2000𝐻𝑧 10
⟹
𝑓𝑐𝑜𝑟𝑡𝑒 = 200𝐻𝑧
Para hallar la frecuencia de corte con la cual debemos trabajar, es necesario sacar el promedio entre estas dos frecuencias. 600𝐻𝑧 + 200𝐻𝑧 𝑓𝑐𝑜𝑟𝑡𝑒 = ⟹ 𝑓𝑐𝑜𝑟𝑡𝑒 = 400𝐻𝑧 2 Ahora tomaremos un valor cualquiera de un inductor que sea comercial; cabe resaltar que se hace con el inductor y no con el condensador, toda vez que en la práctica es mucho más difícil acercarse a un valor de inductancia calculado que a un valor de capacitancia, esto debido a que el valor que calculemos del condensador será más fácil de obtener diseñando un circuito con condensadores en serie o en paralelo según la necesidad, y otra de las causas por las cuales se toma al azar el valor del Inductor es que sus valores comerciales son más reducidos que los valores de los condensadores. 10
Para este ejercicio tomaremos un inductor cuyo valor al calcular la redactancia inductivaesta no supere el orden de los 0,7 con lo cual estaremos asegurando que nuestro filtro marche bien, es decir que nos deje pasar la frecuencia de 60Hz. El valor comercial que más se acerca a este 0,7 en la redactancia inductiva es el de 1mH, tal como lo muestra este primer cálculo: 𝑋𝐿 = 2𝜋 ∗ 𝑓 ∗ 𝐿
𝑋𝐿 = 2𝜋 ∗ 60𝐻𝑧 ∗ (1 ∗ 10−3 )
⟹
𝑋𝐿 = 0,377 Ahora si se procede a calcular el valor del condensador 𝑓𝑐𝑜𝑟𝑡𝑒 =
1 2𝜋√𝐿 ∗ 𝐶
⟹
2 1 (√𝐿 ∗ 𝐶) = ( ) 2𝜋 ∗ 𝑓𝑐𝑜𝑟𝑡𝑒 2
𝐶=
𝐶=
√𝐿 ∗ 𝐶 =
⟹
1 2𝜋 ∗ 𝑓𝑐𝑜𝑟𝑡𝑒
𝐿∗𝐶 =
1 (2𝜋 ∗ 𝑓𝑐𝑜𝑟𝑡𝑒 )2 ∗ 𝐿
1 (2𝜋 ∗ 400)2 (1 ∗ 10−3 ) 𝐶 = 158,314 𝑢𝑓
= 1 mH
158,314 𝑢𝑓
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1 (2𝜋 ∗ 𝑓𝑐𝑜𝑟𝑡𝑒 )2
3.3 Proponga un método de regulación de la tensión y corriente de salida frente a la distorsión armónica inyectada por la conexión de cargas no lineales.
En los esquemas estudiados que funcionan como fuente de tensión, la tensión de la salida depende de la batería de entrada de forma exclusiva. En los circuitos reales existe una pérdida de tensión en los semiconductores y en el cableado que aumenta ligeramente con la carga. Esto es particularmente cierto en la configuración, de con toma media debido a la resistencia de los devanados. Una exigencia de los inversores prácticos es la posibilidad de mantener constante el valor eficaz de la tensión de salida frente a las variaciones de la tensión de entrada y de la corriente de la carga, o incluso poder variar la tensión de salida entre unos márgenes más o menos amplios. Las soluciones existentes para este último problema se pueden agrupar en tres procedimientos: - Control de la tensión continúa de entrada: El control de la tensión de las baterías que alimentan al inversor, proporcionara una forma directa de controlar el valor eficaz de la salida. Este tipo de inversor se denomina "variable dc-link Inverter". - Regulación interna en el propio inversor: La tensión de las baterías de entrada es constante y la modulación PWM en la secuencia de conducción de los transistores, proporciona una cierta regulación de la tensión eficaz de salida y una reducción del contenido armónico, con ciertas restricciones dependiendo del tipo de modulación.
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- Regulación en la tensión de salida: consiste en disponer de un autotransformador en la salida del inversor, controlado mecánicamente o electrónicamente mediante tiristores. Esta solución incorpora un retraso en la respuesta del sistema y un aumento del volumen si se necesita una tensión de salida elevada. En esta configuración el filtro actúa como fuente de corriente, la tensión del condensador debe ser mayor a la tensión máxima de entrada. Los transistores se controlan de manera tal que la corriente sea senoidal, para que el RA inyecte corriente se cerrará el switch superior y se impulsará una corriente creciente ya que el voltaje del condensador es mayor a la tensión de red. Cuando queremos que la corriente disminuya, cerramos el interruptor inferior. Así la corriente sigue una referencia senoidal gracias al control de los transistores con dos interruptores adicionales para controlar las tensiones negativas.
El sistema de control propuesto para la regulación de la tensión y la corriente a la salida consta de tres lazos, un lazo que controla la tensión eficaz de salida generando la amplitud de la referencia senoidal, que se conecta en paralelo con el siguiente lazo conocido como offset, el cual genera la referencia DC del lazo de corriente, y finalmente un lazo que controla la corriente de la bobina. El lazo de voltaje o tensión requiere obtener una medida de la tensión eficaz de salida Vrms. Para lograr lo anterior se rectifica y luego se filtra una tensión instantánea, la cual se obtiene al instalar un divisor resistivo en cada salida del inversor seguido de un amplificador operacional en configuración diferencial. La medida de corriente se realiza 13
con un sensor de efecto Hall, cabe anotar que este tipo de sensor es demasiado sensible a las asimetrías en las alimentaciones. (Pablo Varela, 2011)
Figura 5. Diagrama de bloques del control propuesto para el inversor. (Pablo Varela, 2011)
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CONCLUSIONES En este trabajo podemos comprender la función principal que tienen los driver en el control de las señales ya que estos nos permiten controlar la etapa de disparo es la de adaptación de la señal de control provenientes de la técnica de modulación SPWM, de los transistores. Encontramos la importancia que tienen los filtros comprendiendo su funcionamiento y logra hallar el más adecuado para el proyecto plateado. Podemos estudiar y comprender el funcionamiento de los diferentes métodos de regulación de la tensión y corriente, para el proyecto plateado, donde tenemos que tener en cuenta las características de los componentes utilizados como, transistores, condensador, resistencia, IR2110, y las diferentes frecuencias y ondas que se generan en el circuito para poder tener una regulación apropiada en el circuito plateado.
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Bibliografía Gonzalez, F. M. (s.f.). fglongatt.org. Obtenido de fglongatt.org: http://fglongatt.org/OLD/Archivos/Archivos/Control_I/PPTAnexo3.1.Filtro.pdf
Martín Delgado, R. (29 de Junio de 2012). Universidad Carlos III de Madrid. Obtenido de Universidad Carlos III de Madrid: https://earchivo.uc3m.es/bitstream/handle/10016/15377/PFC-Raul_martin_delgado-2906-2012.pdf
Pablo Varela, D. M. (8 de Julio de 2011). Archivo Digital Universidad Politécnica de Madrid. Obtenido de Archivo Digital Universidad Politécnica de Madrid: http://oa.upm.es/13032/1/INVE_MEM_2011_108972.pdf
Fogonazo. (2009). Técnica del boots Strip. Noviembre de 2016, de Foros de electrónica Sitio web: http://www.forosdeelectronica.com/f34/tecnica-bootstrap17883/ Wikipedia.org. (14 de diciembre de 2015). Circuitos de ayuda a la conmutación de transistores. Noviembre de 2016, de Wikimedia, inc. Sitio web: https://es.wikipedia.org/wiki/Circuitos_de_ayuda_a_la_conmutació_de_transistor es José David Pineda Torres, (2015). Electrónica de Potencia. Consultado Noviembre de 2016, sitio web http://es.slideshare.net/electrocapoeira/eelectronica-de-potenciamomento3
REFERENCIAS
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