ITESM, Campus Monterrey
Depto. de Ingeniería Ingeniería Eléctrica Eléctrica
Laboratorio de Electrónica Industrial
Práctica 9 Inversores de Voltaje Objetivos Particulares •
Implementar un circuito convertidor CD-CA ó Inversor de Voltaje.
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Conocer las características y funcionamiento de este tipo de convertidores. convertidores.
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Diseñar e Implementar el circuito de control mediante electrónica analógica para un inversor de voltaje.
Introducción Los convertidores de CD a CA se conocen como inversores. La función de un inversor es cambiar un voltaje de entrada en CD a un voltaje simétrico de salida en CA, con la magnitud y frecuencia deseadas. Tanto el voltaje de salida como la frecuencia pueden ser fijos o variables. Si se modifica el voltaje de entrada de CD y la ganancia del inversor se mantiene constante, es posible obtener un voltaje variable de salida. Por otra parte, si el voltaje de entrada en CD es fijo y no es controlable, se puede obtener un voltaje de salida variable si se varia la ganancia del inversor; esto por lo general se hace controlando la modulación del ancho del pulso (PWM) dentro del inversor. La ganancia del inversor se puede definir como la relación entre el voltaje de salida en CA y el voltaje de entrada en CD. El los inversores ideales, las formas de onda del voltaje de salida deberían ser senoidales. Sin embargo, en los inversores inversores reales no son senoidales senoidales y contienen ciertas ciertas armónicas. Para aplicaciones de baja y media potencia se pueden aceptar los voltajes de onda cuadrada o casi cuadrada; para aplicaciones de alta potencia, son necesarias las formas de ondas senoidales de baja distorsión. Dada la disponibilidad de los dispositivos semiconductores de potencia de alta velocidad, es posible minimizar o reducir significativamente el contenido armónico del voltaje de salida mediante las técnicas de conmutación. El uso de los inversores es muy común en aplicaciones industriales tales como la propulsión de motores de CA de velocidad variable, la calefacción por inducción, las fuentes de respaldo y de poder, alimentaciones ininterrumpibles ininterrumpibles de potencia. La entrada puede ser una batería, batería, una celda celda de combustible, una celda solar u otra fuente de CD. Los inversores modernos aprovechan las características características de los dispositivos semiconductores de potencia modernos como IGBT’s, y MOSFET’s, como elementos de conmutación en sus diferentes topologías.
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Práctica 9
Inversores de Voltaje
Pre-reporte El Inversor de Voltaje que se va a desarrollar durante esta practica consta de las siguientes etapas:
Cada una de las etapas tiene las siguientes características: Etapa Generadora de Onda Triangular. En esta etapa, como su nombre lo indica se generará una onda triangular, la cual va a ser nuestra referencia en frecuencia para la salida del inversor de voltaje. Etapa de Separación (Positiva/Negativa). Esta etapa se encarga de separa la señal que viene del generador de onda triangular. Esto es así, porque ahora necesitamos saber cuando vamos a disparar el los IGBT’s del puente inversor para la parte positiva como para la parte negativa de la señal de salida. En la figura ser muestra esta etapa para la parte positiva.
Etapa de Comparación. En esta etapa vamos a comparar la señal que proviene de la etapa de separación, con un voltaje de referencia. Esto es con el objetivo de cambiar el ancho del pulso a la salida del comparador, variando así el voltaje efectivo a la salida del inversor.
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Práctica 9
Inversores de Voltaje
Interfase de Potencia. Esta etapa acopla el circuito de control con la etapa de potencia (puente inversor). Dentro de esta etapa la señal proveniente de la etapa de comparación se acondiciona para que llegue con la amplitud adecuada a las compuertas de los IGBT’s.
Ahora teniendo las cuatro señales de las dos interfases de potencia que tenemos podemos visualizar como será la forma que tendremos en el voltaje a la salida del inversor.
Una vez que ya conocemos como funcionará el circuito de esta practica podemos pasar continuar con el pre-reporte.
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Práctica 9
Inversores de Voltaje
1.1
Diseñe los circuitos correspondientes a las etapas de Separación y Comparadora, verificando el correcto funcionamiento de las mismas de acuerdo a lo anteriormente explicado. Realice los cálculos necesarios para obtener los valores de los componentes que empleará en su diseño. Realizar también una simulación del diseño que realizó, mostrando sus resultados.
1.2
Describa el funcionamiento del Inversor monofásico de la siguiente figura, de acuerdo a las forma de onda de los disparos de la figura anterior. Explique gráficamente como se forma la señal de salida del inversor, utilizando el circuito inversor de la siguiente figura, explicando que sucede en el circuito para cada uno de los segmentos mostrados. (•‚ƒ„…†)
1.3
Investigar las características principales y funcionamiento de los elementos semiconductores empleados en el circuito anterior, el IGBT que se utilizará es el IRGPC50FD2 de International Rectifier.
1.4
La siguiente figura muestra el circuito que se utilizará para la Interfase de Potencia, realice una investigación acerca del funcionamiento del mismo, así como también, de las características principales y funcionamiento de los dispositivos empleados en esta etapa.
1.5
Calcular los valores necesarios para la interfase de potencia. Verifique en las hojas de datos del Controlador de disparos (IR2112) y del optoacoplador (4N25).
1.6
Diseñe una fuente de 15VCD para el voltaje de alimentación de la interfase de potencia (VEE ).
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Práctica 9
Inversores de Voltaje
A continuación se muestra la propuesta de un circuito de control para el Inversor de Voltaje, también se agrega la conexión completa de la interfase de potencia con la etapa de potencia. Como en la practica anterior, pueden utilizar este circuito, solo tienen que hacer los cálculos necesarios y analizando el funcionamiento del mismo. Propuesta de Circuito de Control
Conexión de la Interfase de Potencia con el Puente Rectificador
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Práctica 9
Inversores de Voltaje
Fuente de Alimentación (VEE) para la interfase de potencia.
CUIDADO!!! Observe que en el circuito existen dos tierras diferentes la tierra del Vcc y la tierra del VEE, estas dos NO DEBEN CONECTARSE ENTRE SI.
NOTA: Para esta práctica como Pre-reporte nada más hay que llevar al laboratorio el circuito que van a realizar y los cálculos en limpio
Procedimiento 1.1
Implemente el circuito de control para el Inversor de Voltaje que diseñó.
1.2
Utilizando el Osciloscopio verifique y mida la señales correspondientes a cada una de las etapas de su circuito de control.
1.3
Guarde en disquete las señales de cada una de las etapas de su circuitos de control, mostrando en el Canal 1 la entrada a la etapa correspondiente y en el Canal 2 la salida. Para la etapa de comparación grabe la forma de onda para 10%,50% y 90% del ciclo de trabajo.
2.1
Implemente el circuito correspondiente a la interfase de potencia y acóplelo con su circuito de control.
2.2
Verifique y mida las señales en los optoacopladores, debe observar la presencia de la señal de control y al variarla desde su circuito de control, esta debe de variar también.
2.3
Guarde en disquete las señales de los optoacopladores.
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Práctica 9
Inversores de Voltaje
3.1
Conecte la salida de los optoacopladores al controlador de disparos (IR2112) y de ahí al puente inversor, su instructor le proporcionará un modulo del puente inversor como el que se muestra en la siguiente figura:
3.2
Pruebe que su circuito esta disparando correctamente los IGBT’s del puente inversor, alimente a bajo voltaje, conecte las terminales de la fuente de poder a las terminales VCC y GND del modulo del puente inversor. Conecte un foco en las terminales AC1 y AC2, y mida la señal en la salida para ver si el puente se esta disparando correctamente. Para no provocar un Corto Circuito tenga cuidado de No Conectar una punta del osciloscopio en el circuito de control y la otra en la etapa de potencia, debido a que las tierras son diferentes.
3.3
Grabe en disquete las señales que midió en el inciso 3.2 para el 10%,50% y 90% y 100% del voltaje efectivo en la carga.
Reporte Para esta practica es necesario entregar un reporte, que deberá contener: Breve investigación de los Inversores de Voltaje. • Circuito diseñado para la practica. • Explicación del funcionamiento del circuito. •
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Práctica 9
Inversores de Voltaje
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Explicación del inciso 1.2 del pre-reporte. Simulación de la etapa de Control. Imágenes que grabó en disquete en la practica con comentarios.
Listado de componentes. • • • • • • • • • •
Puente Inversor Monofásico (IGBT IRGPC50FD2 de International Rectifier). Optoacoplador 4N25. Driver o Controlador de Disparos IR2112. Diodos 1N4001. Amplificador Operacional LM741. Comparadores LM311. Transformadores según diseño. Resistencias según diseño. Capacitores según diseño. Base para foco y clavija con conectores banana.
Bibliografía. Muhammad H. Rashid. Electrónica de Potencia: Circuitos, Dispositivos y Aplicaciones, Prentice Hall, 2ª. Edición, 1995. Capítulo 10. Joseph Vithayathil. Powers Electronics; Principles and Aplications , McGraw-Hill, 1995. Capítulo 5. Robert F. Coughlin & Frederick F. Driscoll. Amplificadores Operacionales y Circuitos Integrados Lineales, Prentice-Hall, 4ta. Edición, 1993.
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