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FASE 3 - DISEÑ AR LA ETAPA DE POTENCIA Y FILTRADO

ESTUDIANTE: ANGEL ENMANUEL ORTIZ CÓDIGO: 1073155220 CURSO: 203039_14

TUTOR: JOHN JAIRO LEIVA

UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA ELECTRÓNICA DE POTENCIA NOVIEMBRE 2018 BOGOTÁ D.C.

DESARROLLO 3.1 Se debe presentar el circuito driver de la etapa de potencia y se debe explicar la función del mismo. Funcionamiento: El circuito drivers aprovecha la carga de un capacitor, para usarlo como fuente flotante en la activación y desactivación del transistor principal de conmutación en el lado alto del circuito. Su principal función es la de activar transistores Mosfets e IGBT´s en el lado alto o activo del circuito, ósea la zona activa o energizada de este. Para ejecutar la etapa drivers se trabajará con los circuitos integrados IR2112 y LOS mosfets IRFZ44N, por lo tanto, se necesita una descripción de ellos: IR2112: Modulación SPWM Unipolar y driver de activación del MOSFET: Estos circuitos ayudan a la conmutación y activación del MOSFET de manera que ambos son necesarios por la topología analizada. Al generar una señal de modulación se establece un periodo de activación del interruptor que permite establecer a la salida del convertidor una señal de tensión proporcional al ciclo de trabajo de la señal SPWM. El driver de activación tiene la función de activar el MOSFET cuando no hay una referencia que permita ampliar el canal, por lo que esté driver proporciona la tensión VSG suficiente para que el MOSFET pueda conducir. El driver es un elemento importante para activar el MOSFET. Se encarga de adaptar la señal de tensión en el MOSFET por la activación del generador SPWM unipolar, proporcionando la diferencia de tensión drenador-fuente (VGS) adecuada para activar el MOSFET cuando este no está referido a masa o como una fuente flotante que se presenta por la conmutación y resultando una topología que es necesario de un circuito adicional para que el MOSFET trabaje en alguna de sus regiones características. Configuración del driver: Para el disparo del mosfet del convertidor se utilizó el circuito integrado IR2112. Para el análisis del driver, se necesita de componentes externos como un diodo rápido y un condensador, con el fin de implementar una configuración bootstrap. El integrado en la etapa de salida tiene dos configuraciones para conectar dos elementos conmutables que proporcionan niveles de señal en alto y bajo. Para el caso del convertidor que estamos diseñando se utiliza la señal en alto (disparo del mosfet), que es el pin 7 (High side gate drive output) del driver. Otros pines utilizados son pin 6 (High side floating supply) y pin 5 (High side floating supply return) en los que se conectan la configuración bootstrap.

El circuito bootstrap proporciona la tensión VBS (pin 6 VB y pin 5 Vs) que necesita el MOSFET para activarse. La referencia VS es la tensión flotante que necesita en el pin fuente (source) del elemento conmutador cuando la señal SPWM está en alto, el diodo de potencia en este tiempo se encuentra abierto hasta que deje de conducir el MOSFET que es controlado por el estado alto proporcionado por el pin 7 (HO) del driver

El circuito bootstrap funciona de la siguiente forma: El condensador CB se carga cuando el MOSFET se encuentra apagado y el diodo de la etapa de potencia está conduciendo, por lo que la tensión del condensador se carga por medio del diodo Sckottky con la tensión de la fuente +VCC.

En el instante que el diodo de potencia del convertidor deja de conducir el diodo DB no conduce ya que este se encuentra polarizado en inversa, con el condensador CB se descarga por las conexiones de los elementos del IR2112 que permiten que el MOSFET se active. Como el IR2112 es un manejador de medio puente para mosfets de alta velocidad, por tal razón, se usan dos en nuestro circuito con el fin de conformar el puente completo H. DATASHEET: http://www.alldatasheet.com/datasheet-pdf/pdf/730334/IRF/IR2112.html MOSFET IRFZ44N: Es un transistor de tecnología MOS-FET (Metal–Oxide–Semiconductor – Field Effect Transistor) y de alta potencia queposee destacadas características que lo hacen ideal para aplicaciones de conmutación y en la modulación por ancho de pulso (PWM). ¿Cómo funciona el mosfet? Es un transistor, similar a un BJT en cuanto a funciones, pero diferente en cuanto a estructura interna y modo de funcionamiento. Los BJT funcionan con señales de corriente, mientras que los MOSFET funcionan con señales de voltaje, lo cual hace de los últimos la herramienta por excelencia para el control digital. Un MOSFET es un dispositivo semiconductor utilizado para la conmutación y amplificación de señales. El nombre completo, Transistor de Efecto de Campo de Metal-Óxido-Semiconductor (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor, MOSFET) se debe a la constitución del propio transistor. Cuando hablábamos de los BJT, mencionamos que existen 2 tipos de transistores, los NPN y los PNP y que cuentan con 3 terminales: la base, el colector y el emisor. Los MOSFET poseen también 3 terminales: Gate, Drain y Source (compuerta, drenaje y fuente). A su vez, se subdividen en 2 tipos, los MOSFET canal N y los de canal P.

Existen diferentes tipos de MOSFET, dependiendo de la forma cómo están construidos internamente. Así, tenemos MOSFET de enriquecimiento y MOSFET de empobrecimiento, cada uno con su símbolo característico. En nuestro ejercicio los utilizados son de enriquecimiento. Ahora que conocemos la simbología, tanto del BJT como del MOSFET podemos establecer lo siguiente: -

Ambos dispositivos son transistores Ambos dispositivos tienen 3 terminales Ambos dispositivos pueden funcionar como interruptores (o conmutadores) y como amplificadores de señales El MOSFET no requiere de una corriente en la compuerta, sino que se trata de un transistor conmutado por voltaje, a diferencia del BJT que es un transistor conmutado por corriente. Esto hace que este dispositivo sea el más utilizado actualmente en electrónica digital. DATASHEET http://www.alldatasheet.com/datasheet-pdf/pdf/17807/PHILIPS/IRFZ44N.html

Inversor en configuración puente: Está conformado por cuatro semiconductores funcionando como interruptores conectados a una fuente de voltaje DC. Si los interruptores S1 y S4 se activan simultáneamente, el voltaje de entrada aparece a través de la carga. Si S2 y S3 se activan ala mismo tiempo, el voltaje a través de la carga se invierte, generando un voltaje en la carga.

Explicación del circuito, en el cual tenemos los drivers, puente H y transformador de salida: La señal de salida del generador SPWM ingresa a los drivers IR2112 quienes activan el puente H. El puente se conforma de cuatro mosfets de enriquecimiento canal N que funcionan como interruptores conectados a la fuente de alimentación de 12 voltios DC y al devanado primario de un transformador. Estos mosfets son manejados por unas señales de control que garantizan que en el primario se genere una onda rectangular con descanso en cero. Posteriormente, esta señal va a ser adecuada por el transformador con el fin de entregar la amplitud requerida. El transformador cumple con la relación de vueltas entre el primario y el secundario para dar la amplificación que se busca y también soporta la potencia máxima que el circuito entrega. Los cuatro mosfets escogidos cumplen con las características de corriente y voltaje para soportar las exigencias de la carga sin dañar la eficiencia del circuito.

3.2 Se debe diseñar el circuito LC que filtrara la salida del puente inversor. ¿Por qué es necesario filtrar la salida? En esta parte del circuito inversor se ha tenido en cuenta dos bloques, el transformador de tipo toroidal y el filtro del tipo pasa bajas. Estos bloques también son importantes porque aquí para el diseño de estos sistemas se requiere de mucha precisión para evitar pérdidas. Cuando tenemos implementado un puente H, él nos entrega una onda ya que conmuta en dos polos; sin embargo, esa onda por lo general está a los niveles de tensión de las baterías (que pueden ser de 12, 24 o 48 vdc), los cuales son insuficientes para polarizar cargas de corriente alterna comerciales que funcionan a tensiones de 120 v RMS, entonces es necesario utilizar un transformador elevador que sea muy bien hecho para evitar pérdidas y pues llevar la tensión del puente H a una tensión más alta ya idónea para polarizar cargas comerciales. Para ello sugiero utilizar un transformador de forma toroidal siendo el más idóneo por el hecho de que no tiene tantas pérdidas como su equivalente cuadrado de núcleo laminado llamado Transformador EI. Y eso es porque el núcleo magnético brinda ventajas al circuito magnético por así decirlo, para que no salte los electrones de dicho circuito de la E a la I, sino que se mantengan girando uniformemente dentro del núcleo circular. Por ello, es que el transformador toroidal es muy usado en circuitos inversores. Luego de tener el transformador elevador ya necesitamos polarizar una carga comercial, pero tenemos todavía que la señal aún no es senoidal porque hay componentes de alta frecuencia dados en la señal portadora vista en el generador SPWM, obligándonos a suprimir esos componentes de alta frecuencia y dejar pasar los componentes de bajas frecuencias como mínimo posible incluyendo el principal que es el componente de 60 Hz dado en la señal de referencia que se comparó en el generador SPWM, referencia que se necesita para poder alimentar las cargas. Cálculo de parámetros de nuestro transformador elevador: Debemos aplicar la siguiente fórmula:

𝐿𝑝 = (

𝑉𝑖 ∗ 𝐿𝑠 𝑉𝑜)2

𝐿𝑝 = 𝐼𝑚𝑝𝑒𝑑𝑎𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑑𝑒𝑙 𝑝𝑟𝑖𝑚𝑎𝑟𝑖𝑜 𝐿𝑠 = 𝐼𝑚𝑝𝑒𝑑𝑎𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑑𝑒𝑙 𝑠𝑒𝑐𝑢𝑛𝑑𝑎𝑟𝑖𝑜 = 1 𝑉𝑖 = 𝑉𝑜𝑙𝑡𝑎𝑗𝑒 𝑑𝑒 𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎 𝑎𝑙 𝑡𝑟𝑎𝑛𝑠𝑓𝑜𝑟𝑚𝑎𝑑𝑜𝑟 = 12𝑣 𝑉𝑠 = 𝑉𝑜𝑙𝑡𝑎𝑗𝑒 𝑑𝑒 𝑠𝑎𝑙𝑖𝑑𝑎 𝑑𝑒𝑙 𝑡𝑟𝑎𝑛𝑠𝑓𝑜𝑟𝑚𝑎𝑑𝑜𝑟 = 120𝑣 12 𝐿𝑝 = ( ) 2 ∗ 1 = 0.01 120 ¿Por qué es necesario filtrar la salida? Cómo se explicó en el párrafo anterior; porque se deben evitar las pérdidas a frecuencias bajas, pero sí obtener muchas pérdidas a altas frecuencias. De esta manera podemos mantener la frecuencia

de referencia necesaria para que funcionen las cargas comerciales en el circuito, lo cual nos ayuda a obtener un filtro de alto rendimiento, sin pérdidas en el transformador ni en el mismo filtro y así podemos tener en nuestra carga, una señal senoidal lo más pura posible; ósea sin ningún componente de distorsión armónica. 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. Definición de armónicos: Los armónicos son tensiones o corrientes sinusoidales con una frecuencia que es un múltiplo entero (k) de la frecuencia del sistema de distribución, denominada frecuencia fundamental (50 o 60 Hz). Cuando los armónicos se combinan con la corriente o la tensión fundamental sinusoidal respectivamente, distorsiona la forma de onda de la corriente o la tensión (consultar Figura 15). Los armónicos se identifican generalmente como Hk, donde la k es el orden de los armónicos. -

IHk o UHk indican el tipo de armónico (corriente o tensión). IH1 o UH1 designan la corriente o la tensión sinusoidal a 50 o 60 Hz cuando no hay armónicos (corriente o tensión fundamental).

Tipos de armónicos: Las cargas no lineales causan tres tipos de corrientes armónicas, todas en órdenes impares (porque la sinusoidal es una función "impar"). -

Armónicos H7 - H13 - …: secuencia positiva. Armónicos H5 - H11 - …: secuencia negativa. Armónicos H3 - H9 - …: secuencia cero.

Las cargas no lineales generan armónicos tanto de tensión como de corriente. Esto se debe a que, para cada armónico de corriente de carga, hay un armónico de tensión de alimentación con la misma frecuencia. Como consecuencia, los armónicos también distorsionan la tensión.La distorsión de una onda sinusoidal se presenta en forma de porcentaje: 𝑟𝑚𝑠 𝑣𝑎𝑙𝑢𝑒 𝑜𝑓 𝑎𝑙𝑙ℎ𝑎𝑟𝑚𝑜𝑛𝑖𝑐𝑠 𝑟𝑚𝑠 𝑣𝑎𝑙𝑢𝑒 𝑜𝑓 𝑓𝑢𝑛𝑑𝑎𝑚𝑒𝑛𝑡𝑎𝑙 THD* % = distorsión total = 100 Distorsión armónica total (THD). Se definen los siguientes valores: -

TDHU % para la tensión, basada en los armónicos de tensión. TDHI % para la corriente, basada en los armónicos de corriente.

El valor de THDI (o de THDU con valores UHk) se mide con la siguiente ecuación: 𝑡ℎ𝑑𝑖% = 100

√𝐼𝐻22 + 𝐼𝐻32 + 𝐼𝐻42 + 𝐼𝐻52 … + 𝐼𝐻𝑘2 𝐼𝐻1

Hay dos estrategias: -

Aceptar y vivir con los armónicos, lo cual significa básicamente que hay que sobredimensionar los circuitos para tener en cuenta los armónicos. Eliminar los armónicos, parcial o totalmente, utilizando filtros acondicionadores de armónicos activos.

Sobredimensionamiento de los equipos: Dado que los efectos negativos de las corrientes armónicas aumentan con la impedancia acumulativa de los cables y las fuentes, la solución obvia es limitar la impedancia total para reducir tanto la distorsión de la tensión como el aumento de la temperatura. Está claro que esta solución no es muy eficaz y que simplemente limita el aumento de la temperatura. Existen diferentes tipos de soluciones para eliminar los armónicos: En los casos en los que la acción preventiva indicada anteriormente sea insuficiente, es necesario equipar la instalación con sistemas de filtrado. Existen tres tipos de filtros: -

Pasivos. Activos. Híbridos.

Filtros pasivos. Los filtros LC pasivos se ajustan a la frecuencia que debe eliminarse o atenúan una banda de frecuencias. Los sistemas de recombinación armónica (doble puente, cambio de fase) también se pueden incluir en esta categoría. Los filtros pasivos tienen dos inconvenientes principales: La eliminación de los armónicos solo es eficaz para una instalación específica, es decir, la incorporación o eliminación de cargas puede interrumpir el sistema de filtrado. A menudo son difíciles de implementar en los circuitos que ya existen. Principio de funcionamiento: Un circuito LC, sintonizado a cada rango armónico que se va a filtrar, se instala en paralelo con la carga no lineal (ver Figura 16). Este circuito de derivación absorbe los armónicos, evitando así que circulen por la red de distribución. Se pueden utilizar varias ramificaciones de filtros conectadas en paralelo si se necesita una reducción significativa de la distorsión global.

Filtros activos / acondicionadores de armónicos activos. Los filtros activos, también denominados acondicionadores de armónicos activos, como AccuSine, cancelan los armónicos inyectando corrientes armónicas exactamente iguales donde surgen. Este tipo de filtros reaccionan en tiempo real (es decir, de forma activa) frente a los armónicos existentes para eliminarlos. Son más eficaces y flexibles que los filtros pasivos, evitan sus inconvenientes y, en comparación, constituyen una solución que: -

Ofrece un gran rendimiento (es posible eliminar totalmente los armónicos, hasta el orden 50º). Es flexible y se puede adaptar (posibilidad de configurar la acción) y reutilizar.

Principio de funcionamiento: Estos sistemas, que incluyen electrónica de potencia y que están instalados en serie o en paralelo con la carga no lineal, compensan la intensidad de armónicos o la tensión de la carga. A continuación se muestra un compensador activo de armónicos conectado en paralelo que compensa la corriente armónica (Ihar = -Iact).

Filtros híbridos. Principio de funcionamiento Los filtros pasivos y activos se combinan en un único sistema para constituir un filtro híbrido (ver Figura 18). Esta nueva solución de filtrado ofrece las ventajas de los dos tipos de filtros y abarca una amplia gama de niveles de potencia y rendimiento.

El método utilizado lo podemos establecer con el siguiente procedimiento: La mejor solución, tanto desde el punto de vista técnico como económico, se basa en los resultados de un estudio detallado. Análisis de armónicos en circuitos inversores: Utilizando el análisis se asegura que la solución propuesta tenga los resultados esperados (p. ej., un THDU máximo garantizado). Los pasos para un análisis son los siguientes: -

-

Medición de las perturbaciones que afectan a la corriente y a las tensiones compuestas y simples en la fuente de alimentación, los circuitos de salida perturbados y las cargas no lineales. Simulación por ordenador del fenómeno para obtener una explicación precisa de las causas y determinar la mejor solución. Un informe completo del análisis presenta: Los niveles de corriente de las perturbaciones y los niveles máximos permitidos de las perturbaciones. Una propuesta que incluye soluciones con niveles de rendimiento garantizados. Finalmente, la aplicación de la solución seleccionada utilizando los medios y los recursos necesarios. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS

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