FASE 3
TUTOR JAIRO L. GUTIERREZ T
ESTUDIANTES EDWIN HUMBERTO MASMELA CODIGO. 1114822646 FREDDY ORLANDO GARCIA JHEIDER QUINTERO HERNANDEZ CODIGO: 36664 RICARDO MOLINA GIL C!DIGO. "16444" RODOLFO TORRES CASTILLO C!DIGO. 8"4#628
ESCUELA DE CIENCIAS$ TEGNOLOGIAS E INGENIERIAS INGENIERIA ELECTRONICA UNAD
Introducción
Después de haber recorrido la etapa de planeación, de trabajar en la etapa de conmutación por SPWM, SPWM , llegamos al momento de diseñar la etapa de potencia y filtrado. Para cumplir con los objetivos trazados para esta unidad 3, nos enocaremos en investigar en dierentes uentes, uentes, lo relacionado relacionado con el dise!o del circuito driver, driver, del cual haremos su e"plicación, mostraremos su uncionamiento # desde luego $ue haremos el dise!o del circuito. %ambién trabajaremos trabajaremos en el dise!o dise!o del circuito &' con con el el objetivo objetivo de hacer hacer el iltrado de la etapa de salida del puente inversor. Se har( énasis en la importancia de iltrar la etapa de salida. )inalmente, )inalmente, con base en la investigación, investigación, en el intercambio intercambio de conceptos conceptos con los integ integra rante ntes s del del grupo grupo,, as* as* como como el acomp acompa! a!ami amien ento to del del tutor tutor del del curso, curso, trataremos de presentar una propuesta de método de regulación de la tensión # corriente de salida rente a la distorsión armónica in#ectada por la cone"ión de cargas no lineales. +s imprescindible la participación grupal, as* como la gu*a de nuestro tutor, para $ue atendiendo a las consultas # por medio de video tutoriales, poco a poco va#amos despejando dudas # esto nos permita conseguir los objetivos trazados
Objetivos Generales.
Presentar el circuito driver de la etapa de potencia y explicar la función del mismo.
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Dise!ar # o e"plicar la etapa driver de los conceptos ad$uiridos en el desarrollo de la unidad. Dise!ar o e"plicar la salida de potencia del inversor en puente . Presentar una breve e"plicación de los transormadores de salida en el puente . Dise!ar o e"plicar los conceptos $ue nos permitan dise!ar un 'ircuito &' con el objetivo de iltrar la salida del puente inversor. Poner en pr(ctica los conocimientos ad$uiridos en etapas anteriores $ue nos permitan cumplir con los re$uerimientos de la presente unidad # tener bases suicientes para enrentarnos a la -ltima etapa del curso $ue consistir( en Simular # analizar los resultados obtenidos
D%&'(()**) +% *' ',-/+'+.
Continuando con el desarrollo de las tareas indicadas en la guía de actividades del curso de Electrónica de Potencia, en esta tercera etapa, se nos pide dar desarrollo a 3 puntos que, para ser resueltos, me he basado en las indicaciones realiadas por nuestro tutor en las !ebconferencias y en las investigaciones hechas en la red, así como el acompa"amiento del tutor del laboratorio y los intercambios de dudas con otros compa"eros. # continuación, doy desarrollo a los puntos$
ETA0A DE 0OTENCIA Y FILTRADO 3.1 %e debe presentar el circuito driver de la etapa de potencia y se debe explicar la función del mismo.
ntes de dar e"plicación # mostrar el dise!o del circuito Driver, debemos entender de $ué se trata, por lo $ue podr*amos empezar diciendo $ue el circuito driver es en el $ue recae la unción de tomar la se!al de control de cual$uier transistor # adaptarla o convertirla en una se!al $ue cumpla las condiciones $ue en la zona de saturación o corte se necesitan. &as caracter*sticas principales $ue debe tener el Driver, son el suministrar una entrada de alta impedancia respecto al circuito de control, regular los niveles presentes en la tensión, as* como crear espacios de tiempo /muertos0 # las adecuadas protecciones. Para la selección del driver se debe tener en cuenta aspectos tales como la tensión m("ima de salida del driver sea ma#or $ue la tensión m*nima necesaria en la puerta del M1S)+% para $ue as* se realice la conmutación a la recuencia seleccionada. +"isten dierentes opciones a la hora de seleccionar un driver. Se pueden emplear componentes discretos para dise!ar un driver, opto2acopladores o drivers abricados como circuitos integrados. 'ada uno de ellos tiene unas ventajas e inconvenientes.
+n la figura 1, se e"plica el uncionamiento de los principales componentes del driver.
&igura 'circuito integrado driver de (osfet
&igura ). Etapa driver de mosfet de potencia
DRIERS CONTROL DE LOS MOSFET EN EL 0UENTE H En todo sistema electrónico de control de potencia se requieren circuitos especialiados para controlar la actuación de los dispositivos conmutadores de potencia. Estos circuitos de mane*o de compuerta +drivers, deben cumplir las siguientes funciones b-sicas$ ' Proporcionar aislamiento entre los circuitos de control y los altos niveles de tensión y corriente mane*ados por los dispositivos electrónicos de control de potencia. ) /enerar las formas de onda de volta*e y corriente necesarias para que los dispositivos de potencia operen hasta en las condiciones m-ximas de volta*e y corriente definidas por el fabricante. 3 Proporcionar protección local contra fallas especialmente en situaciones de sobre cargas. #dicionalmente, es imprescindible que estos circuitos est0n incluidos en un circuito impreso que contenga tambi0n todas las fuentes de alimentación y los componentes de interfa necesarios, para minimiar las inductancias y capacidades par-sitas y facilitar el armado del sistema de potencia. #lgunos fabricantes, como 1.2. y .P., ofrecen circuitos integrados que contienen algunas de las funciones b-sicas de un circuito de mane*o de compuerta4 estos integrados son económicos pero no pueden ser conectados directamente a los dispositivos de potencia. Es necesario construir fuentes de tensión de alimentación independientes con aislamiento de tierra y proporcionar las funciones faltantes de protección o de interfa aislada con el controlador. Circuito de (ane*o de Compuerta de 5a*o Costo para (6%&E7 e 1/57.
T'*' 1. T'*' *5,' +%* +(/%( MOSFET DE 0OTENCIA 8n transistor (6%&E7 de potencia es un dispositivo controlado por volta*e, que requiere solo de una peque"a corriente de entrada. 9a velocidad de conmutación es muy alta siendo los tiempos de conmutación del orden de los nanosegundos. 9os (6%&E7 :E P67E;C1# est-n encontrando cada ve m-s aplicaciones en los convertidores de alta frecuencia y ba*a potencia. 9os (6%&E7 no tienen los problemas de los fenómenos de ruptura secundaria que tienen los 5<7, sin embargo los (6%&E7 tienen problemas de descargas electrost-ticas, por los que su mane*o requiere de cuidados especiales adem-s, es relativamente difícil protegerlos ba*o condiciones de falla por corto circuito. 9os (6%&E7 son de dos tipos$ +' los (6%&E7 de agotamiento y +) los (6%&E7 de enriquecimiento. 8n (6%&E7 tipo agotamiento, de canal n se forma en un substrato de silicio de tipo p, tal y como se muestra en la siguiente figura. Con dos silicios n fuertemente dopados para tener conexiones de ba*a resistencia. 9a compuerta est- aislada del canal mediante una delgada capa de óxido. 9as tres terminales se conocen como compuerta. :rena*e y fuente. ;ormalmente el substrato se conecta a la fuente. El volta*e de compuerta a fuente, = /%, puede ser positivo o negativo. %i = /% es negativo, algunos de los electrones del -rea del canal n estar-n repelidos, y se creara una región de agotamiento, por deba*o de la capa de óxido, que resultara en un canal efectivo m-s angosto y en una alta resistencia de drena*e, a fuente 2 :%. %i = /% se hace suficientemente negativo, el canal se agotara totalmente, ofreciendo un alto valor en 2 :% y no habr- flu*o de corriente de drena*e a fuente, 1 :% > ?. Cuando esto ocurre, el valor de = /% se conoce como volta*e de estrechamiento, =p por otra parte = /% se hace positivo, el cual se ensancha, e 1 :% aumenta debido a la reducción en 2 :%. Con un (6%&E7 tipo agotamiento de canal p se invierten las polaridades de = :%, 1 :%, y = /%. 8n (6%&E7 tipo enriquecimiento de canal n y p, sucede un proceso similar al anterior.
&igura 3. 7ransistores (6%&E7 2ecuperado de$ (odulo Electrónica 1ndustrial @ 8;#:
TO0OLOG7A 0UENTE H O COM0LETO . 9a topología APuente completoB emplea cuatro interruptores como se observa en la figura 3.?. :e esta forma, con una sola fuente de continua, se pueden aplicar a la carga tanto tensiones positivas como negativas o cero con un simple cambio de los interruptores que conducen en cada momento. Esta topología incorpora venta*as e inconvenientes de las topologías Push Pull y puente medio.
&igura . 7opología puente 2ecuperada de$ (onografía :CD#C Pure %ine ave 1nverter @ P En la siguiente tabla. %e han recopilado algunas de las venta*as e inconvenientes que presenta esta topología. ;o cabe duda que el principal inconveniente es la
comple*idad, pero al traba*ar con altas potencias, las venta*as cobran mayor importancia que los inconvenientes. Por tanto esta es la topología adecuada m-s empleada para altas potencias.
ENTAJAS Y DESENTAJAS DE USAR 0UENTE H EN INERSORES. %-'9'& •
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7abla ;o.). =enta*as y :esventa*as
&igura F. %alida de potencia, topología puente con transformador 9as resistencias 2 '3, ', 'G y 'H apagan al dispositivo despu0s de conducir, llev-ndolos a tensión negativa la compuerta. 9as resistencias 2'', 2'), 2'F y 2'I en paralelas con los :iodos :, :F, :I y :G, acoplan la se"al que proviene de la etapa driver, así mismo los diodos protegen la compuerta. 9a resistencia 23' es la shunt detecta la corriente que consume el circuito.
7abla 3. Estados de suicheo del puente Para la implementación del inversor sp!m se clasifican los mosfet 12&P )J?G por sus características de velocidad de suicheo, tensión y ampera*e de traba*o. #nexamos el data sheet del (osfet elegido
.
&igura I. 7ransistor (osfet
7abla . Características el0ctricas del transistor 12&P )J?G
TRANSFORMADOR El transformador recibe la tención 2(% de salida del puente , y la transfiere al secundario en una amplitud, de acuerdo a la constitución del transformador El transformador hace parte de la salida de potencia del inversor, su constitución depende de las exigencias del dise"o del inversor, como por e*emplo si es dise"ado para ')? =C# o ))? =C# 8n transformador es una m-quina el0ctrica est-tica que transforma la energía el0ctrica recibida en otra energía el0ctrica de características distintas, bien sea de tensión, intensidad, etc. El transformador es uno de los equipos el0ctricos m-s Ktiles de los utiliados en la electricidad, puede aumentar o disminuir la tensión, puede aislar un circuito de otro. El transformador se utilia, la mayoría de las veces, para reba*ar la tensión
de alimentación a valores m-s ba*os y así poder manipular los circuitos sin riesgos para los usuarios. El devanado primario es el que recibe la energía y el devanado secundario es el que la cede. 8n transformador, al ser una m-quina est-tica, no tiene p0rdidas mec-nicas y por tanto puede alcanar rendimientos del JHL.
CONSTITUCI!N DEL TRANSFORMADOR. Est- constituido por dos circuitos principales que son$ • • • • •
Circuito el0ctrico. :evanado primario. :evanado secundario. Circuito magn0tico. Chapas magn0ticas
&igura G. :iagrama esquem-tico y pictórico del transformador.
#nexo la tar*eta del circuito impreso del inversor, que nos entrega el simulador con los elementos y la tar*eta siguiente es el impreso de lado del circuito
F<(' 8. T'(9%-' +%* ,(,<-) (%&) +%* /%(&)( S0WM.
F<(' 8. T'(9%-' +%* ,(,<-) (%&) +%* /%(&)(.
F<(' . D'('' % *)<% +%* ,(,<-) +%* /%(&)
3.2 %e debe dise"ar el ,(,<-) LC que filtrara la salida del puente inversor. MPor qu0 es necesario filtrar la salidaN 2ecordemos que un filtro es un circuito electrónico de entrada y salida que son sensibles a la frecuencia y que permite eliminar o excluir las se"ales que no se sitKen en un determinado rango, permitiendo así que las se"ales de otras frecuencias pasen.
&igura '? diagrama en bloque de un filtro pasa ba*o
/eneralmente los filtros se dividen en ',-/)& y '&/)&, siendo los primeros 9os basados en circuitos electrónicos con elementos amplificadores activos. 9os segundos, est-n basados en elementos pasivos b-sicamente en la inductancia y la capacidad. 8na parte muy importante de los filtros pasivos, la constituyen los filtros designados como 2C, 29, 29C y LC , si bien no son los Knicos. Es importante hacer notar que todo filtro el0ctrico requiere, por lo menos, de un elemento reactivo, bien sea explícito, como una bobina o un condensador, o bien sea implícito en su estructura o comportamiento. :e esta clase de filtros y para nuestro caso, destacamos los de tipo LC , que sirven para garantiar la calidad de los inversores. %i lo que se requiere es obtener que la onda sinusoidal sea pura, nos vemos obligados a la utiliación de que reKnan ciertas condiciones, y para este caso, los m-s apropiados son los filtros LC pasa ba*os ya que 0stos eliminan las componentes armónicas que se presenten en bandas laterales a la frecuencia de la onda portadora. :e lo anterior, podemos decir que, para dise"ar nuestro circuito, 0ste en su salida debe ser en paralelo para así reducir el contenido armónico, pero sin que sin afecte en su salida la frecuencia fundamental. En el desarrollo de este tipo de circuito, es preciso que la corriente que se recibe en la entrada, deba ser mayor a la corriente de carga, obteniendo así mayor factor de calidad en el resultado.
FILTROS LC. El ob*etivo del filtro es conseguir aplicar a la carga Knicamente el armónico fundamental de todo el espectro que aparece a la salida del puente . %e trata de un filtro 9C paso ba*o de segundo orden que se muestra, presenta la función de transferencia de este filtro sin considerar los efectos de carga ni par-sitos. :onde n es la frecuencia natural del filtro.
En la siguiente figura, se muestra el diagrama de 5ode en módulo y &ase del filtro 9C en función de la frecuencia natural del filtro n. %e puede observar que a frecuencias
&igura''. :iagrama de 5ode. 8niversidad Carlos 111. :elgado (artin 2aKl. (enores que la frecuencia natural del filtro + O n la ganancia del filtro es ?d5 y para frecuencias mayores + n el filtro atenKa la se"al a raón de ?d5 > dec. %in embargó, a frecuencia > n aparece un gran pico de resonancia. Para dise"ar el filtro se debe tener en cuenta que$ :ebe atenuar los armónicos producidos por la conmutación, que aparecen a frecuencias ftri y mKltiplos o )ftri y mKltiplos segKn el tipo de modulación. :ebe de*ar intacto el armónico fundamental. ;o debe amplificar los armónicos de ba*a frecuencia. +En relación al pico de resonancia :ado que la atenuación crece a raón de ?d5 > dec, la frecuencia natural del filtro debe encontrarse al menos una d0cada antes de los primeros armónicos producidos por la conmutación. %i estos armónicos, para el peor de los casos +(odulación bipolar aparecen alrededor de la frecuencia de la se"al portadora ftri > '?Qh, implicar- que la frecuencia natural del filtro debe ser$
El filtro pasa ba*o debe ser calculado con las siguientes exigencias$ •
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9a frecuencia de corte debe ser '? veces menor con relación a la se"al portadora. 9a frecuencia de corte debe ser '? veces mayor que la frecuencia de la se"al fundamental. J,3 Q se"al portadora O '? veces > J3? I? se"al fundamental '? veces > I?? . %umadas las dos se"ales son da 'F3? Q, dividida entre dos es la frecuencia por la cual calcularemos el filtro > GIF 7omando arbitraria mente la capacidad del condensador a ' uf f =
1 2 π ∗l ∗c
depejamos l y tenemosl =
remplazando valorestenemos l =
1 2 π ∗f ∗c
1 2 π ∗765 Hz∗1 uf
=208
mH
&igura ').:iagrama del filtro pasa ba*o pasivo.
&igura '3. &iltro pasa ba*o en el puente
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. 3.3
En el diseño de un inversor SPWM diseñado análogamente, se toma una muestra de la tensión ue entrega, y es llevada a la tensión de referencia en el oscilador !u""a. En ese circuito la tensión de referencia tiene una variación con la amplitud de la señal fundamental y la cual var#a con el #ndice de amplitud, en tensión y corriente. $ógicamente esta señal de muestra de la salida de"e ser tratada con anterioridad. En el diseño de un inversor SPWM con construcción digital %utili&ando microcontroladores para generar la señal sp'm y la etapa driver de potencia(, la retroalimentación se toma y se procesa, llevándola a un nivel entre ),* +dc y ,- +dc, la cual es llevada a una entrada del microcontrolador y conformando un algoritmo se manipula la amplitud del voltae de salida. Esta variación de amplitud ataca directamente a los #ndices de amplitud en el "loue de oscilación en el microcontrolador.
)igura 4. Sistema din(mico de control del inversor SPWM.
Filtros Activos
Est-n compuestos por elementos pasivos y transistores controlados, son capaces de eliminar pr-cticamente todos los armónicos de ba*a frecuencia y no tienen los inconvenientes de los filtros pasivos. 9os filtros activos pueden ser conectados en serie o en paralelo. 9os filtros serie actKan como fuente de volta*e, proporcionan una alta impedancia para los armónicos e impedancia reducida para la frecuencia de la red. 9os filtros activos en paralelo, actKan como fuente de corriente en paralelo con la carga, inyectando o absorbiendo corriente segKn sea necesario. Existe la posibilidad de combinar filtro activo y pasivo, formando un filtro híbrido.
Conclusiones Figura 15.
R%+<,-)( +% '(5,)& CC =H'(), (%+<,%( DC>
Este convertidor se conecta en paralelo con la carga, como se muestra en la siguiente figura.
Figura 1
En esta configuración el filtro actKa como fuente de corriente, la tensión del condensador debe ser mayor a la tensión m-xima de entrada.
C),*<&5
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;os apropiamos de los conceptos, a lo largo del desarrollo del curso en la unidad tres, realiando con propiedad la actividad de esta fase.
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:espu0s de la realiación del presente traba*o, destacaría que se optó por el dise"o de circuito :river con la implementación del integrado 12)''?
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9a relación al circuito 9C, se optó por aportado en este documento, esperando que cumpla con el ob*etivo de filtrar la salida del puente inversor.
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9a utiliación del simulador Proteus, es de gran ayuda para comprender y poner en pr-ctica conceptos adquiridos.
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Como se puede apreciar en los aportes hechos en el foro, cada participante tiene un punto de vista diferente, pero a*ustado a la información encontrada en los datos bibliogr-ficos y en la red, por lo que se espera unificar criterios para poder entregar un buen consolidado gripal.
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<. 5enavent /arcía, #. #bell-n /arcía, E. &igueres #morós Electrónica de Potencia$ 7eoría y #plicaciones. 'JJ )3F paginas.
2ashid, ( ., +'JJF. Electrónica de Potencia$ Circuitos, dispositivos y aplicaciones.+) ed. $ Prentice all.
Polanía, < #.,+)?''. Control de motores El0ctricos. Colombia. +PP.'3I.2ecuperado de$http$DD!!!.ceduvirt.comDresourcesDControlL)?de L)?(otoresL)?conL)?(atlab.pdf C. P0re &uster, (. 12#;/6 P6;7E%. Electrónica #nalógica 1ntegrada Emilio 5atalla =i"als 'JJ3 3J) p-ginas. 1. %os 5ravo. CE#C )??I. Electrónica analógica 'F) p-ginas. E9EC726;1C# :E P67E;C1# 2ecuperado
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