7.1.- Resultados experimentales del amortiguador activo de inductancia y condensador compartido
Para la realización de las pruebas experimentales el circuito amortiguador activo de inductancia y condensador compartido se integrará a un inversor medio puente (figura 7.1) para validar los análisis y las consideraciones de diseño del capitulo.
.
C1VT1
-M
Dd
VCs
Du
+Vdc/2
D2
+B
A
.
IGBTd
C2.
+Vdc/2
D4
LVdc
-Vgd
D1
IK
B
IGBTu
+N
D3
+ -
.
Cs
Vgu
Figura 7.1. Circuito inversor con la implementación propuesta del circuito amortiguador activo de inductancia y condensador compartido.
La principal función de este conmutador auxiliar es la de cortocircuitar la inductancia L en el circuito durante el tiempo de retardo td. Después de este tiempo de retardo la
inductancia se libera para que pueda actuar como limitadora del pico de corriente cuando se forma el lazo LCS durante el encendido de alguno de los conmutadores de la rama medio
puente. El cálculo de los componentes y de las tensiones y corrientes del amortiguador de inductancia y condensador compartido de la figura 7.1 (el cual presenta el inversor medio puente con la configuración del amortiguador activo propuesto) es el mismo realizado en el apartado 6.7 del capitulo 6. El circuito de la figura 7.1 muestra el circuito amortiguador con un módulo de IGBT medio puente (para el caso práctico de marca Eupec), cuyas características técnicas se muestran en el anexo C.
La tabla 7.1 lista los componentes empleados en el amortiguador de inductancia y condensador único para el inversor propuesto.
Componente Cantidad Tipo Valor/Capacidad
Condensador del amortiguador principal
1 Cerámico 100nF
Diodos del Conmutador Auxiliar
4 Fast Recovery 10 A
Módulo IGBTs (Medio Puente) 1 Marca Eupec BSM50GB120D LC 50/40 A / 1200V Transistor Conmutador Auxiliar 1 IRGPH40F 17A /1200V
Inductancias 1 Núcleo Ferrita 40uH
Vdc 1 120V
Tabla 7.1 Componentes utilizados en el inversor.
Así como para el caso del amortiguador de inductancia dividida y condensador compartido se decidió utilizar un control elemental de conmutación sintetizando una onda cuadrada simétrica para simplificar los problemas de sincronismo que podría generar un
algoritmo complejo para las conmutaciones de los IGBTs del inversor y para obtener y comprobar las formas de ondas básicas deducidas y estudiadas para esta primera parte de presentación de las formas de ondas experimentales.
Para la generación de los pulsos de activación de los dispositivos de potencia del convertidor se utilizó un sistema programable (FPGA) del tipo EPF10K20RC240 de ALTERA (ver Anexo D). Este sistema es muy versátil y fácil de programar en lenguaje VHDL; los tiempos de activación de los dispositivos son los indicados en la figura 6.12. Al igual que en el caso del capitulo 5 para la etapa de potencia se utilizo parte de la plataforma del grupo SIEP (ver anexo E)
Tal como se demuestra con el conjunto de figuras presentadas a continuación como resumen de los resultados experimentales obtenidos en las pruebas de laboratorio, el comportamiento real del circuito amortiguador propuesto cuando se trabaja en los modos 1,2 y 2a es prácticamente idéntico al propuesto en la teoría y demostrado en la simulación.
La figura 7.2 muestra las formas de ondas de las tensiones colector-emisor de los IGBTs del inversor (figura 7.2a,b), la tensión del condensador VCS (figura 7.2c) y la corriente
ICS (figura 7.2d) en Modo 1. Se observa que las señales obtenidas concuerdan con las
predicciones hechas en el estudio teórico y las simulaciones realizadas. La corriente de carga (constante e igual a la del condensador ICS) es igual a la corriente mínima IKL (5 Amp), que
permite operar en el Modo1 en el tiempo en el cual ts = td (igual a 2 µs). En este modo la
corriente de carga tiene la dirección indicada por la fuente de corriente de la Figura 7.1 y la magnitud necesaria para que la tensión en el condensador (figura 7.2c) de amortiguamiento, VCs, se invierta completamente dentro del intervalo establecido por el tiempo de retardo, td.
Figura 7.2. Forma de ondas medidas en el inversor experimental en Modo 1 (1µs/div) : (a)VCEd(25 V/div), (b)VCEu (25 V/div), (c)VCS (50 V/div), (d)ICS(5 A/div)
La figura 7.3 muestra las formas de ondas de las tensiones colector-emisor (figura 7.3a,b) de los IGBTs del inversor, la tensión del condensador VCS (figura 7.3c) y la corriente
ICS (figura 7.3d) en Modo 2. Como se puede observar, al igual que paso en el Modo1, las
señales obtenidas concuerdan con las predicciones hechas en el estudio teórico y las simulaciones realizadas en el capitulo 6 para el Modo2.
Durante el tiempo de reposo la corriente de carga (constante e igual a la del condensador ICS, figura 7.3d) es menor que el valor mínimo necesario para que el circuito
opere en el primer modo, es decir, IK < IKL, por lo que VCs no se invierte totalmente durante el
tiempo de reposo de la rama (figura 7.3c), y el encendido del dispositivo entrante se produce antes de que el voltaje en el condensador haya alcanzado su valor final.
Figura 7.3. Forma de ondas medidas en el inversor experimental en Modo 2 (1µs/div): (a)VCEd(25 V/div), (b)VCEu (25 V/div), (c)VCS (50 V/div), (d)ICS(2 A/div)
Concluido el tiempo de reposo se produce el disparo del IGBTu entrante lo que elevaría
rápidamente la tensión del condensador. Para controlar esto, entes del encendido del IGBT entrante se ha apagado el conmutador auxiliar, lo que conecta la inductancia auxiliar L en serie con el condensador CS de amortiguamiento.
En la figura se observa como la corriente en el condensador (trazo d de la figura 7.3) se reduce al producirse el apagado del IGBT auxiliar, y como inmediatamente después, al encenderse el IGBT entrante, empieza a circular el pulso de corriente de compensación en el circuito IGBTu – CS – L. Este pulso de corriente es sinusoidal, por lo que el valor inicial de
corriente en el IGBTu crece lentamente y su encendido es del tipo ZCS.
Dado que la conmutación presentada se produce con una corriente de carga no nula, tanto la duración como la amplitud del pulso de compensación son menores que las máximas calculadas en el aparte anterior (5 A). En la figura 7.3 podemos observar que cuando termina el tiempo de retardo todos los dispositivos semiconductores están apagados para evitar un cortocircuito y dar tiempo a todos los dispositivos a que completen su apagado.
La figura 7.4 muestra las formas de ondas de las tensiones colector-emisor (figura 7.4a,b) de los IGBTs del invesor, la tensión del condensador VCS (figura 7.4c) y la corriente
ICS en Modo 2a (figura 7.4d). En estas condiciones el condensador de amortiguamiento CS no
recibirá carga durante el tiempo de reposo de la rama ts, por lo que no habrá ninguna variación
en la tensión VCS durante este intervalo. Se observa que la tensión VCE cae rápidamente a cero
y la corriente ICS es de forma pulsante y el pico máximo alcanzado por esta corriente es de
aproximadamente 5 A, valor máximo asignado en los cálculos de diseño. Las formas de onda del voltaje VCE de los IGBTs del módulo del inversor son las esperadas según el estudio
teórico y concuerda con las simulaciones realizada con la condición con corriente de carga igual a cero realizadas en el capitulo 6.
Figura 7.4. Forma de ondas medidas en el inversor experimental en Modo 2a (1µs/div):: (a)VCEd(25 V/div), (b)VCEu (25 V/div), (c)VCS (50 V/div), (d)ICS(2 A/div)
La figura 7.5 muestra la forma de onda de la tensión colector-emisor (figura 7.5a) de los IGBTu, la corriente IIGBTu (figura 7.5b) y la potencia (V*I) sobre el IGBTu (figura 7.5c) en
Modo1 durante el apagado. El área bajo la curva de la figura figura 7.5c es la energía que se disipa sobre el conmutador. Se puede observar que la conmutación se realiza en ZCS
(conmutación suave de corriente) lo que permite una muy baja potencia (forma de onda 7.5c) o muy baja energía durante la conmutación de apagado del dispositivo semiconductor de potencia, en este caso el IGBTu.
En la figura 7.6 se presenta la forma de onda de la tensión colector-emisor (figura 7.6a) de los IGBTu, la corriente IIGBTu (figura 7.6b) y la potencia (V*I) sobre el IGBTu (figura 7.5c)
en Modo1 durante el apagado sin la utilización de circuito amortiguador. Si se compara la curva de la potencia de la figura 7.5c con la curva de potencia de la figura 7.6c se observa claramente que el área bajo la curva de esta última es diez veces mayor, comprobando la acción del amortiguador.
Figura 7.5 Forma de ondas medidas en el inversor experimental en Apagado Modo 1 (1µs/div): (a)VCEu(25 V/div), (b)IIGBTu (2 A/div), (c)VCEu*IIGBTu (10 mw/div)
Figura 7.6 Forma de ondas medidas en el inversor experimental en Apagado Modo 1: (Sin amortiguador): (a)VCEu(25 V/div), (b)IIGBTu (2 A/div), (c)VCEu*IIGBTu (10 mw/div)
La figura 7.7 muestra las formas de ondas de la tensión colector-emisor (figura 7.7a) de los IGBTu, la corriente IIGBTu (figura 7.7b) y la potencia (V*I) sobre el IGBTu (figura 7.7c)en
Modo1 durante el encendido. Se puede observarse la conmutación se realiza en ZVS (conmutación suave de Voltaje) Se observa en la figura (figura 7.7c) que el área bajo la curva es muy pequeña (se podría decir que tiende a ser cero) lo que permite una muy baja disipación de energía durante el encendido del dispositivo semiconductor de potencia.
La figura 7.8 muestra las formas de ondas de la tensión colector-emisor (figura 7.8a) de los IGBTu, la corriente IIGBTu (figura 7.8b) y la potencia (V*I) sobre el IGBTu (figura 7.8c) en
Modo2 durante el encendido. Como puede observarse la conmutación se realiza en ZVS (conmutación suave de tensión), lo que permite una muy baja disipación de energía durante el encendido del Dispositivo semiconductor de potencia tal como se observa en la figura 7.8c.
Figura 7.7 Forma de ondas medidas en el inversor experimental durante el encendido operando en Modo 1(1µs/div): (a)VCEu(25 V/div), (b)IIGBTu (5 A/div), (c)
VCEu*IIGBTu (10 mw/div)
La figura 7.9 muestra las formas de ondas de la tensión colector-emisor (figura 7.9c) de los IGBTu, la corriente IIGBTu (figura 7.9c) y la potencia (V*I) sobre el IGBTu (figura 7.9c)
mientras el conversor opera en Modo2 durante el apagado. Se puede observar que la conmutación se realiza en ZCS (conmutación suave de corriente) lo que permite una muy baja disipación de energía durante el encendido del dispositivo semiconductor de potencia tal como se observa en la figura 7.9c.
Figura 7.8. Forma de ondas medidas en el inversor experimental durante el encendido operando Modo 2(1µs/div): (a)VCEu(25 V/div), (b)IIGBTu (1 A/div), (c)
VCEu*IIGBTu (10 mw/div)
La figura 7.10 muestra las formas de ondas de la tensión colector-emisor (figura 7.10a) de los IGBTu, la corriente IIGBTu (figura 7.9b) y la potencia (V*I) sobre el IGBTu (figura 7.9c)
mientras el conversor opera en Modo2a durante el encendido. Al igual que en el Modo2, se puede observar que la conmutación se realiza en ZCS (conmutación suave de corriente) lo que asegura igualmente una muy baja disipación de energía (casi tendiendo a cero durante todo el intervalo de conmutación) durante el encendido del dispositivo semiconductor de potencia tal como se observa en la figura 7.10c.
Figura 7.9 Forma de ondas medidas en el inversor experimental durante el Apagado operando en Modo 2(1µs/div): (a)VCEu(25 V/div), (b)IIGBTu (1 A/div), (c)
VCEu*IIGBTu (10 mw/div)
En cuanto a las dimensiones del circuito de recuperación, figura 6.9, los diodos deben ser capaces de soportar una tensión inversa igual al voltaje en las barras dc, más el factor de seguridad empleado en el resto del diseño; su corriente ánodo-cátodo pico repetitiva de trabajo debe ser superior a la corriente máxima en el circuito de amortiguador dividida entre la relación de transformación N; el cableado del primario del transformador debe ser capaz de soportar la corriente pico en el amortiguador; el cableado del secundario, esta corriente dividida entre N; el aislamiento entre los bobinados debe ser por lo menos del orden de la tensión de barra.