ACTIVIDAD fase 3 Etapa de potencia y filtrado
Electrónica de potencia 203039_8
VICTOR ALFONSO CARDONA VALENCIA Cód. 14570994 JULIAN NIETO BERNARDO ARCILA DIEGO FERNANDO PEREZ
Tutor MAURICIO RICARDO ARBULU
UNAD ESCUELA DE CIENCIAS BASICAS, TECNOLOGIA E INGENIERIA
INGENIERIA EN ELECTRONICA NOVIEMBRE DE 2017
Fase 3 - Diseñar la etapa de potencia y filtrado
Etapa de potencia y filtrado
3.1 Se debe presentar el circuito driver de la etapa de potencia y se debe explicar la función del mismo.
El circuito driver es en el que recae la función de tomar la señal de control de cualquier transistor y adaptarla o convertirla en una señal que cumpla las condiciones que en la zona de saturación o corte se necesitan. Las características principales que debe tener el Driver, son el suministrar una entrada de alta impedancia respecto al circuito de control, regular los niveles presentes en la tensión, así como crear espacios de tiempo “muertos” y las adecuadas protecciones.
Para la selección del driver se debe tener en cuenta aspectos tales como la tensión máxima de salida del driver sea mayor que la tensión mínima necesaria en la puerta del MOSFET para que así se realice la conmutación a la frecuencia seleccionada. Existen diferentes opciones a la hora de seleccionar un driver. Se pueden emplear componentes discretos para diseñar un driver, opto-acopladores o drivers fabricados como circuitos integrados. Cada uno de ellos tiene unas ventajas e inconvenientes La imagen explica el funcionamiento de los componentes del drivers
DRIVERS “CONTROL DE LOS MOSFET EN EL PUENTE H”
En todo sistema electrónico de control de potencia se requieren circuitos especializados para controlar la actuación de los dispositivos conmutadores de potencia.
Estos circuitos de manejo de compuerta (drivers), deben cumplir las siguientes funciones básicas: 1-Proporcionar aislamiento entre los circuitos de control y los altos niveles de tensión y corriente manejados por los dispositivos electrónicos de control de potencia. 2-Generar las formas de onda de voltaje y corriente necesarias para que los dispositivos de potencia operen hasta en las condiciones máximas de voltaje y corriente definidas por el fabricante. 3-Proporcionar protección local contra fallas especialmente en situaciones de sobre cargas. Adicionalmente, es imprescindible que estos circuitos estén incluidos en un circuito impreso que contenga también todas las fuentes de alimentación y los componentes de interfaz necesarios, para minimizar las inductancias y capacidades parásitas y facilitar el armado del sistema de potencia. Algunos fabricantes, como I.R. y H.P., ofrecen circuitos integrados que contienen algunas de las funciones básicas de un circuito de manejo de compuerta; 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 interfaz aislada con el controlador. Circuito de Manejo de Compuerta de Bajo Costo para MOSFET e IGBT.
MOSFET DE POTENCIA
Un transistor MOSFET de potencia es un dispositivo controlado por voltaje, que requiere solo de una pequeña corriente de entrada. La velocidad de conmutación es muy alta siendo los tiempos de conmutación del orden de los nanosegundos. Los MOSFET DE POTENCIA están encontrando cada vez más aplicaciones en los convertidores de alta frecuencia y baja potencia. Los MOSFET no tienen los problemas de los fenómenos de ruptura secundaria que tienen los BJT, sin embargo los MOSFET tienen problemas de descargas electrostáticas, por los que su manejo requiere de cuidados especiales además, es relativamente difícil protegerlos bajo condiciones de falla por corto circuito. Los MOSFET son de dos tipos: (1) los MOSFET de agotamiento y (2) los MOSFET de enriquecimiento. Un MOSFET 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 baja resistencia. La compuerta está aislada del canal mediante una delgada capa de óxido. Las tres terminales se conocen como compuerta. Drenaje y fuente. Normalmente el substrato se conecta a la fuente. El voltaje de compuerta a fuente, VGS, puede ser positivo o negativo. Si VGS es negativo, algunos de los electrones del área del canal n estarán repelidos, y se creara una región de agotamiento, por debajo de la capa de óxido, que resultara en un canal efectivo más angosto y en una alta resistencia de drenaje, a fuente RDS. Si VGS se hace suficientemente negativo, el canal se agotara totalmente, ofreciendo un alto valor en RDS y no habrá flujo de corriente de drenaje a fuente, IDS = 0. Cuando esto ocurre, el valor de VGS se conoce como voltaje de estrechamiento, Vp por otra parte VGS se hace positivo, el cual se ensancha, e IDS aumenta debido a la reducción en RDS. Con un MOSFET tipo agotamiento de canal p se invierten las polaridades de VDS, IDS, y VGS. Un MOSFET tipo enriquecimiento de canal n y p, sucede un proceso similar al anterior.
TOPOLOGÍA PUENTE H O COMPLETO.
La topología “Puente completo” emplea cuatro interruptores como se observa en la figura
3.0. De 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 ventajas e inconvenientes de las topologías Push Pull y puente medio
Ventajas y desventajas de usar puente H en inversores Ventajas
La tensión aplicada en la carga es la tensión de la fuente continua Se puede aplicar a la carga +vdc, vdc y 0v Mejor utilización del bus DC ya que la tensión máxima de salida es la tensión del bus DC La tensión que deben soportar los interruptores es el valor del fuente continua
Desventajas
Se duplica el número de interruptores con respecto a topologías anteriores Algunos interruptores no están referidos a la masa, por lo que sería necesario incluir circuitos de disparo que permitan aplicar una tensión flotante
TRANSFORMADOR
El transformador recibe la tención RMS de salida del puente H, 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 diseño del inversor, como por ejemplo si es diseñado para 120 VCA o 220 VCA Un transformador es una máquina eléctrica estática que transforma la energía eléctrica recibida en otra energía eléctrica de características distintas, bien sea de tensión, intensidad, etc. El transformador es uno de los equipos eléctricos más útiles de los utilizados en la electricidad, puede aumentar o disminuir la tensión, puede aislar un circuito de otro. El transformador se utiliza, la mayoría de las veces, para rebajar la tensión de alimentación a valores más bajos 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. Un transformador, al ser una máquina estática, no tiene pérdidas mecánicas y por tanto puede alcanzar rendimientos del 98%.
CONSTITUCIÓN DEL TRANSFORMADOR. Está constituido por dos circuitos principales que son: •
Circuito eléctrico.
•
Devanado primario.
•
Devanado secundario.
•
Circuito magnético.
•
Chapas magnéticas
Configuración IR2110
D1, C1 y C2 junto con los IR2110 forman el circuito de arranque. Cuando LIN = 1 y Q2 está en ON, C1 y C2 se cargan en el nivel de VB, que es una caída de diodo por debajo de + VCC. Cuando LIN = 0 y HIN = 1, esta carga en el C1 y C2 se utiliza para añadir la tensión adicional - VB en este caso - por encima del nivel de la fuente de Q1 para conducir la Q1 en la configuración del lado de alta. Una capacitancia suficientemente grande debe ser elegida para C1 de modo que pueda suministrar la carga necesaria para mantener Q1 durante todo el tiempo. C1 no debe ser demasiado grande ya que la carga es demasiada lenta y el nivel de voltaje no se eleva lo suficiente como para mantener el MOSFET en ON. Cuanto mayor sea el tiempo, mayor es la capacitancia requerida. Por lo tanto, menor es la frecuencia, mayor es la capacitancia necesaria para C1. Cuanto mayor es el ciclo de trabajo, mayor es la capacitancia necesaria para C1. Para frecuencias bajas como 50Hz, se utiliza capacitores entre 47 μF y 68 μF. Para frecuencias altas como 30 kHz a 50 kHz, se usa entre 4,7 μF y 22 μF. Puesto que estamos utilizando un condensador electrolítico, un
condensador cerámico se debe utilizar en paralelo con este condensador. El condensador de cerámica no es necesario si el condensador de arranque es de tántalo.
D2 y D3 descargan las capacidades de puerta de los MOSFET de forma rápida, sin pasar por las resistencias de la puerta, lo que reduce el tiempo de apagado. R1 y R2 son las resistencias de puerta limitadores de corriente. + MOSV puede ser de hasta un máximo de 500 V. + VCC debe ser de un suministro limpio. Debe utilizar condensadores de filtro y condensadores de desacoplamiento de + VCC a tierra para el filtrado. Conexión del circuito driver. VDD es la tensión de alimentación
de la parte lógica del circuito. La parte de
entrada del circuito. HIN es la entrada que comanda la parte alta del driver y cuya salida en fase es HO. LIN es la entrada que comanda la parte baja del driver y cuya salida en fase es LO. SD es una entrada de control de apagado del driver, similar a un enable. Vss es la masa del circuito lógico. VB es una entrada de tensión flotante referida a Vs para el disparo del MOSFET de la parte alta. Vcc es la entrada de tensión referida a COM para el disparo del MOSFET de la parte baja. Vcc no es flotante.
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 filtro es conseguir aplicar a la carga únicamente el armónico fundamental de todo el espectro que aparece a la salida del puente H. Se trata de un filtro LC paso bajo de segundo orden, H1(s) presenta la función de transferencia de este filtro sin considerar los efectos de carga ni parásitos. Donde ωn es la frecuencia natural del filtro.
Para diseñar el filtro se debe tener en cuenta que:
Debe atenuar los armónicos producidos por la conmutación, que aparecen a frecuencias y múltiplos o 2 y múltiplos según el tipo de modulación. Debe dejar intacto el armónico fundamental. No debe amplificar los armónicos de baja frecuencia. (En relación al pico de
resonancia) Dado que la atenuación crece a razón de 40dB/dec, la frecuencia natural del filtro debe encontrarse al menos una década antes de los primeros armónicos producidos por la conmutación. Si estos armónicos, para el peor de los casos (Modulación bipolar) aparecen alrededor de la frecuencia de la señal portadora = 10 , implicará que la frecuencia natural del filtro debe ser:
Si durante la modulación todas las operaciones son simétricas, es decir, todos los canales tienen los mismos retrasos temporales y se aplican igualmente para el semiciclo positivo y para el negativo de la señal moduladora, los armónicos de orden pares deberán ser inexistentes. Se decide establecer una frecuencia natural entre el 7 y el 9 armónico, el motivo para alejarse de los armónicos impares es no amplificarlos, ya que el filtro en vacío proporciona una gran amplificación a la frecuencia natural. FILTRO
Se debe tener en cuenta la calidad de los inversores, estos por lo general se evalúan en términos de los parámetros de rendimiento con THD. Para el mejoramiento de esto, se implementó un filtro LC. Los parámetros del filtro son: Son L=300µH y C=13.2µF, resultando en una frecuencia de corte de 2.5KHz la cual es adecuada ya que la frecuencia de la señal portadora es de 20 kHz. Para obtener una forma de onda sinusoidal pura, se necesitan filtros generalmente LC pasa bajos que eliminan los componentes armónicos que se presenten en bandas laterales a la frecuencia de la onda portadora. Además, el filtro LC que se debe diseñar a la salida debe ser en paralelo con el fin de reducir el contenido armónico de alto orden sin afectar la frecuencia fundamental de la señal de salida. El filtro LC paralelo. Este tipo de circuito presenta menor distorsión armónica a la del circuito LC serie. Lo relevante del filtro Ganancia de máxima aproximación igual al factor de calidad. Proporciona una sobre tensión. La corriente de entrada debe ser mayor a la corriente de carga. Mayor factor de calidad. Disminución del tercer armónico.
¿Por qué es necesario filtrar la salida?
El propósito de filtrar la salida es reducir el mayor contenido armónico de alto orden sin que afecte la frecuencia fundamental de la señal de salida la cual debe ser en paralelo.
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.
FILTROS ACTIVOS
Tradicionalmente, la penetración de corrientes armónicas en el sistema eléctrico desde cargas no lineales ha sido reducida mediante el uso de filtros pasivos. Sin embargo, se presentan las siguientes desventajas:
Resonancias entre el filtro pasivo y el sistema eléctrico.
Sobrecompensación de potencia reactiva a frecuencia fundamental.
Pobre adaptación a cambios topológicos en el sistema eléctrico y fluctuaciones de la carga.
Los filtros activos, sin embargo, pueden compensar corrientes y tensiones armónicas muy fluctuantes, compensar potencia reactiva, regular voltaje en alimentadores, suprimir flicker y equilibrar voltajes en sistemas trifásicos. También tienen un buen comportamiento dinámico y son de menor tamaño que los filtros pasivos. En general el filtro activo tiene gran aceptación en bajas potencias, sin embargo, para potencias medias y altas es muy competitivo también el rectificador PWM y los filtros pasivos. Para potencias muy altas como la transmisión de energía en corriente continua, el filtro pasivo es dominante.
Filtro activo conectado en paralelo
Cuando se inyecta una corriente armónica igual en magnitud y fase a la similar que circula por el rectificador CA/CC, hay una cancelación de dicha corriente armónica en el sistema eléctrico. Si se cancela todo el flujo armónico, la corriente Is puede ser perfectamente sinusoidal. El rectificador multipulso realiza una cancelación armónica similar.
También el filtro activo puede proveer la potencia reactiva que necesita la carga a frecuencia fundamental de tal forma que el sistema eléctrico provea solamente potencia activa con corrientes y tensiones en fase perfectamente sinusoidales. Parte de la potencia activa que provea el sistema eléctrico, sin embargo, debe derivarse al filtro activo para compensar pérdidas de energía en las inductancias de acoplamiento y en los interruptores del inversor y además pérdidas de tensión en el condensador electrolítico en el lado de CC.
Filtro activo conectado en serie
Opera como regulador de tensión en el sentido de proteger al consumidor de una tensión de alimentación de calidad inadecuada. Esta opción es especialmente recomendada para compensación de tensiones desbalanceadas y caídas en su magnitud. Puede ser una alternativa económica, dependiendo la aplicación, al uso de fuentes interrumpibles de energía (UPS), ya que estas involucran el uso de baterías y en general componentes de mayor potencia, ya que por el inversor fluye toda la potencia del circuito. Filtro activo híbrido
El filtro activo híbrido es un método práctico para reducir prácticamente a cero la inyección de corrientes armónicas en el sistema eléctrico (el filtro activo serie actúa de aislador armónico), disminuyéndose la aparición de resonancias. Por otra parte se disminuye la sobrecarga del filtro pasivo con armónicos provenientes de otras cargas no lineales. Es un
método económico también, porque la potencia del filtro activo puede a veces alcanzar el 1 % de la potencia nominal de la carga no lineal.
Corresponde al esquema del filtro activo en conexión serie más un filtro pasivo conectado en paralelo con la carga. El filtro activo en conexión serie actúa como un perfecto aislador armónico forzando la carga armónica a circular totalmente por el filtro pasivo. La potencia del filtro activo es una pequeña fracción de la potencia de la carga no lineal, sin embargo, esta potencia puede incrementarse en caso de compensación de tensión.
Reductor Armónico Trifásico
El convertidor se conecta en paralelo con la red, logra que la corriente de red sea sinusoidal, además tiene la capacidad de corregir factor de potencia anulando la componente reactiva que entrega la red, también puede balancear la carga de las fases en caso de alimentas un consumo desequilibrado.
Existen muchas topologías posibles, se estudiará la configuración tipo puente inversor trifásico con conexión de neutro.
El funcionamiento es muy sencillo debido a que cada rama del RA se controla en forma independiente ya que existe un punto común con la red en el neutro. Se genera una señal de referencia senoidal para cada fase desplazadas 120º, logrando que la corriente de red siga esta referencia. La tensión de cada condensador debe ser mayor al voltaje máximo entre fase y neutro de la red. Para inyectar corriente a la red, se debe cerrar los transistores superiores, así el voltaje en el condensador formará un circuito con la bobina correspondiente y existirá una corriente creciente hacia el sistema. Para reducir la inyección de corriente se debe cerrar el transistor inferior y la bobina recibe ahora un voltaje opuesto. Filtro pasivo Filtro pasivo de conexión paralela En cargas no muy fluctuantes, es posible emplear distintas ramas LC conectadas en paralelo con la carga y sintonizadas a las frecuencias de los armónicos de corriente que se deseen retirar del sistema. A partir del
espectro de la intensidad de la carga que se desea compensar, se escogen los amónicos más relevantes. Para compensar cada uno de ellos, por ejemplo el de orden n, se eligen valores de Ln y Cn que satisfagan la ecuación un =2 ∗ = 1√ ∗ donde f es el valor de la frecuencia fundamental. Regulación interna (ILR) Esta estructura de control implica que el voltaje de referencia, el voltaje de retroalimentación y el condensador de salida son comunes. Para convertidores en modo de control de corriente promedio, la distribución de corriente puede ser modificada, agregando un control de referencia, para el lazo de corriente interna de cada módulo. Ventajas: distribución de corriente estable, regulación de voltaje de manera precisa. Como resultado, la corriente de salida de los convertidores en paralelo, depende de un control seguro con un lazo de voltaje a la salda del sistema y las señales de error de distribución, no pasan a través del compensador del lazo de voltaje. Desventajas: el sistema degrada la modularidad, pobre nivel de tolerancia
CONCLUSIONES
Conocimos un circuito driver su aplicación y funcionamiento así como las partes que lo componen y la importancia de dicho circuito. Entendimos la importancia de filtrar la salida utilizando un circuito LC y que el objetivo principal del filtro es conseguir aplicar a la carga únicamente el armónico fundamental de todo el espectro que aparece a la salida. Mediante esta actividad conocimos sobre que son los armónicos que los produce y que efectos tienen en una red eléctrica n general, los armónicos son producidos por cargas no lineales, lo cual significa que su impedancia no es constante Estas cargas no lineales a pesar de ser alimentadas con una tensión sinusoidal adsorben una intensidad no sinusoidal, pudiendo estar la corriente desfasada un ángulo j respecto a la tensión. Para simplificar se considera que las cargas no lineales se comportan como fuentes de intensidad que inyectan armónicos en la red.
BIBLIOGRAFIA
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Rocha, J, Quintero, J (2009). Modulo Electrónica Industrial: UNAD (PP.104). Recuperado de:http://datateca.unad.edu.co/contenidos/203039/Refencias/Complementaria_Unid ad_II.pdf
