Diseño e implementación de un bloque constructivo de electrónica de potencia con funcionalidad bidireccional de conversión DC/AC y AC/DC monofásico
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(2) Escriba el título del documento 2 CONTENIDO. 1 2 2.1 2.2 2.3 3 4 5 5.1 5.2 6 6.1 6.2 6.3 7 8 8.1 8.2 8.3 9 10 11. INTRODUCCIÓN ............................................................................................................... 4 OBJETIVOS ....................................................................................................................... 5 Objetivo General ...................................................................................................... 5 Objetivos Específicos ............................................................................................... 5 Alcance y productos finales ..................................................................................... 5 DESCRIPCIÓN DE LA PROBLEMÁTICA Y JUSTIFICACIÓN DEL TRABAJO ........................... 5 MARCO TEÓRICO ............................................................................................................. 7 DEFINICION Y ESPECIFICACION DEL TRABAJO ................................................................ 8 Definición ................................................................................................................. 8 Especificaciones ....................................................................................................... 9 METODOLOGÍA DEL TRABAJO ......................................................................................... 9 Plan de trabajo ......................................................................................................... 9 Búsqueda de información ...................................................................................... 10 Alternativas de desarrollo ...................................................................................... 10 TRABAJO REALIZADO ..................................................................................................... 11 VALIDACIÓN DEL TRABAJO ............................................................................................ 21 Metodología de prueba ......................................................................................... 21 Validación de los resultados del trabajo ................................................................ 22 Evaluación del plan de trabajo............................................................................... 25 DISCUSIÓN ..................................................................................................................... 26 CONCLUSIONES.......................................................................................................... 27 REFERENCIAS ............................................................................................................. 28.
(3) Escriba el título del documento 3. INDICE DE FIGURAS. Figura 7.1Identificación de célula base en Distintos tipos de conversores ........................... 9 Figura 7.2 Topologías básicas simuladas en multisim ......................................................... 10 Figura 7.3Resultados de las simulaciones Multisin…………………………………………………………11 Figura 7.4 Transistor elegido IRFP 250 y sus principales características .............................. 12 Figura 7.5 Diagrama de conexión del driver ir2110 con la etapa de potencia……………….…12 Figura 7.6 Control inicial empleado para realizar la cosimulacion con Multisim…………….13 Figura7.7 Control Sistema de control empleado para las pruebas con tarjeta de adquisición DAQ…………………………………..…………………………………………………………………………….13 Figura 7.8 a) Diseño inicial de la PCB, y b) su equivalente en el circuito de prueba montado en protoboard…………………………………………………………………….……………………..….15 Figura 7.9 a) PCB con la cual se realizaron las últimas pruebas, b) PCB rediseñada con la que se espera corregir los errores………………………………………..…………….……….….16 Figura 7.10 a) Esquema del caso de estudio implementado, b) vista real del caso de estudio final con el que evaluó el funcionamiento del proyecto……………..……….17 Figura 8.1 Resultados pruebas realizadas en ML_009……………………………….........……………..18 Figura 8.2 Resultados obtenidos en la sala ML_040, pruebas de potencia ......................... 20.
(4) Escriba el título del documento 4 1. INTRODUCCIÓN. Se está desarrollando una nueva tecnología en el área de la electrónica de potencia con la participación de importantes investigadores en el mundo, la cual consiste en la implementación de un nuevo método de diseño basado en los que se denominan bloques constructivos de electrónica de potencia, que permitan versatilidad y eficiencia cuando sea necesario utilizar elementos como conversores AC/DC, DC/DC o DC/AC. El concepto clave de esta nueva tendencia es la modularidad, ya que si bien, las estructuras en las que se organizan los elementos no difieren de las topologías clásicas de la electrónica de potencia, y los sistemas de control también tienen la misma base teórica que los sistemas de control tradicionales, la versatilidad y los costos de los PEBB mejoran en comparación a los sistemas utilizados en la actualidad, ya que esta modularidad les permite un nivel de adaptación a situaciones donde existan distintos tipos de requerimientos tanto técnicos como económicos. Esto se debe a que al ser módulos pequeños que al irse integrando componen sistemas más complejos se puede fabricar al por mayor este módulo base, lo que reduce los costos en comparación a la fabricación de diseños específicos para diferentes requerimientos. Las células se pueden agrupar para cumplir distintos requerimientos de potencia, para cumplir requerimientos de funcionamiento monofásico o trifásico, o como se muestra en este trabajo para cumplir con funciones de conversión AC/DC o DC/AC según sea la necesidad. Incluso se espera en conjunto con otras investigaciones lograr funciones de conversión multinivel utilizando los módulos del PEBB. El propósito de este proyecto de grado es que la universidad se inicie en este nuevo campo de los PEBB, y que con esto sea pionera en Colombia en este tema. Es una línea nueva que nunca se había trabajado en la universidad, pero que sin duda se apoya de investigaciones anteriores relevantes al tema. Por esta razón, el diseño de los prototipos fue orientado a realizarse con componentes de relativamente fácil acceso, y del menor costo posible. Para que futuras investigaciones en el tema sean capaces de reproducir el resultado obtenido con un esfuerzo mínimo, cumpliendo así con una de las principales cualidades que se esperan de un sistema basado en PEBB..
(5) Escriba el título del documento 5 2. OBJETIVOS 2.1 Objetivo General Realizar el diseño e implementación de un sistema PEBB con funcionalidad de conversor AC/DC y DC/AC monofásico. 2.2 Objetivos Específicos -Realizar una amplia revisión del estado del arte de los PEBB con el fin de garantizar que el diseño será relevante y funcional. -Realizar un diseño robusto en cuanto a funcionalidad y preciso a la hora de escoger los elementos que lo componen. -Implementar físicamente el diseño propuesto y comprobar su funcionalidad. -Documentar apropiadamente el proceso de manera que sea reproducible para investigaciones futuras en el tema. 2.3 Alcance y productos finales El objetivo final del proyecto era la fabricación de una célula PEBB con base en un diseño realizado con base en la investigación del estado del arte que rodea a los PEBB. Este objetivo se cumplió de manera satisfactoria ya que logramos construir 4 células PEBB y realizar un montaje basado en estas en donde se pueden apreciar las funcionalidades de conversor AC/DC y DC/AC monofásico dentro del mismo, alimentado el conversor DC/AC con la señal rectificada del conversor AC/DC.. 3. DESCRIPCIÓN DE LA PROBLEMÁTICA Y JUSTIFICACIÓN DEL TRABAJO El principal criterio para corroborar que la idea en la cual se basa el proyecto es válida, consiste en comprobar que el sistema construido a partir de células PEBB cumple por lo menos con las funcionalidades básicas que cumple cualquier otro sistema de conversores que no involucre PEBB. Si esto se logra comprobar, se abre un camino interesante hacia una universalización de la electrónica de potencia, con los beneficios expuestos anteriormente que esto traería..
(6) Escriba el título del documento 6 La implementación física de un Bloque constructivo de electrónica de potencia sería una adquisición importante para la universidad, gracias a su versatilidad y flexibilidad en el manejo. De esta manera, sería posible la fabricación en gran número de estos bloques para la construcción de distintos tipos de conversores según se requiera para distintas aplicaciones, por ejemplo, facilitaría la realización de prácticas de laboratorio en materias como electrónica e potencia, ya que es posible con estos bloques implementar un número considerable de Rectificadores e Inversores monofásicos y trifásicos, de manera rápida y sin necesidad de realizar diseños específicos para distintos casos de estudio. Debido a que los elementos fueron escogidos de tal manera que soportaran valores de voltajes y corrientes mayores a los que normalmente se trabajan en un laboratorio, el bloque adquiere cierta robustez frente a las pruebas y errores que puedan presentarse en un laboratorio académico. De igual manera, el bloque fue diseñado de tal manera que los elementos que lo componen sean fácilmente reemplazados en caso de daño, de esta manera, no es necesario reemplazar el bloque completo. Otro de los objetivos de los bloques constructivos es la simplificación del trabajo de diseño de nuevos conversores de potencia. Ya que no sería necesario realizar un diseño desde ceros de un nuevo conversor, sino que el trabajo que reducido a definir qué cantidad de bloques constructivos se requieren para cumplir los requerimientos de funcionalidad y potencia, y en que configuración de conexión. Lo que ahorraría una gran cantidad de tiempo en proyectos de investigación que requiera la implementación física de conversores para cumplir necesidades específicas. El diseño del control tampoco sería necesario a menos que en los requerimientos del proyecto este trabajar con algoritmos de control más sofisticados, ya que en este trabajo se deja implementado un control universal para manejar los bloques tanto en rectificación como en inversión. En la industria también hay un potencial de aplicación de este bloque en específico, para tratar cargas de bajo voltaje que puedan variar con el tiempo. Por ejemplo, seria especialmente útil para empresas en crecimiento que tengan proyectado un aumento en los requerimientos de potencia, como por ejemplo ampliación de sus oficinas que conlleva la adquisición de más computadores o equipos electrónicos, que si bien trabajan con bajo voltaje, en número pueden significar una carga importante. La implementación de PEBB en ese sector permitiría llevar a cabo estas ampliaciones sin que los conversores ya existentes se vuelvan obsoletos, simplemente se le incorporarían más bloques constructivos para aumentar sus capacidades..
(7) Escriba el título del documento 7. 4. MARCO TEÓRICO, CONCEPTUAL E HISTÓRICO 4.1 Marco Teórico. Los PEBB (Power Electronics Building Blocks) son un nuevo concepto que busca integrar distintos elementos de la electrónica de potencia en un solo sistema con el fin ahorrar tiempo, perdidas, espacio y conseguir mucha más versatilidad en un dispositivo que sea capaz de funcionar de acuerdo a unas necesidades específicas, o adaptarse si estas llegaran a cambiar. Los elementos típicos dentro del sistema suelen ser: Rectificador, Conversor DC/AC, Conversor DC/DC. El funcionamiento del sistema requiere conocimientos en las áreas de control y electrónica de potencia. Este tipo de sistemas tiene un uso potencial en la industria debido a que los tipos de conversores que integra son muy utilizados para el control de motores AC, Motores DC, Reguladores de voltaje para equipos electrónicos, o para acoplar determinadas fuentes de energía a la red. En el ámbito internacional se ha trabajado bastante en este tema, y hay varios trabajos e investigaciones que servirán de soporte para el desarrollo de esta tesis. A continuación se citan algunos de los títulos y autores de trabajos que pueden servir de guía y soporte: -A Direct Isolated Bi-directional Converter as a Power Electronic Building Block (PEBB)Todd Begalke[5] -Modeling and control of PEBB based boostrectifier system- Jenica Ileana Corcau[6] -PEBB Concept and the IEEE Power Electronics Standards - Yuri Khersonsky[7] -PEBB - Power electronics building blocks from concept to reality- Terry Ericsen[4] En la lista anterior podemos apreciar trabajos como los primeros dos, que se han basado en este nuevo concepto para realizar proyectos con nuevas funcionalidades, el primero, que tiene mucho que ver con este proyecto, se basa en el concepto de PEBB para proponer conversores AC/DC bidireccionales con mayor eficiencia de perdidas, mezclando HardSwitching y SoftSwitching..
(8) Escriba el título del documento 8 Antecedentes Locales: Localmente no ha habido ninguna investigación en el tema en particular, pero si ha habido investigación en temas como rectificadores e inversores de potencia, que son elementos cuya funcionalidad busca incorporase a los PEBB, por eso será necesario revisar los métodos utilizados en proyectos anteriores de este tipo y buscar una forma de acoplarlos de manera que se pueda cumplir con ambas funciones. También sirven de base para analizar los posibles inconvenientes que se pueden presentar a la hora de la implementación, como problemas con la adquisición de elementos, o que configuraciones de seguridad fueron exitosas en los montajes y cuáles no.. 5. DEFINICION Y ESPECIFICACION DEL TRABAJO 5.1 Definición El trabajo consiste en el diseño e implementación de varias células de PEBB, tanto del control como de la etapa de potencia, e integrar estas celdas para montar un pequeño caso de estudio donde se aprecien las capacidades funcionales de un sistema basado en PEBB. En este trabajo se contemplan las características básicas que distinguen un bloque constructivo de electrónica de potencia, estas son: -Arreglo modular que incluya drivers para los Gates de los transistores. -Control de switcheo de los transistores y generación de pulsos. -Capacidad de adaptarse a distintos requerimientos de funcionalidad, en este caso, rectificación e inversión. -Capacidad de integrarse para satisfacer necesidades superiores de potencia. -Manejo de fases mediante integración de uno o más bloques constructivos. Cabe resaltar que estas no son las únicas características que puede incluir un bloque constructivo de electrónica de potencia. Hoy en día se desarrollan bloques que integran sensores de voltaje, corriente y temperatura cuyas lecturas van a tarjetas de control más sofisticadas a través de conversores A/D. También vienen equipadas con protecciones contra distintos tipos de fenómenos que pueden presentarse, como cortocircuitos, sobre voltajes o subvoltajes. Pero para la consideración de este proyecto, las características que se van a implementar son lo suficientemente funcionales para iniciarse en este camino de los PEBB..
(9) Escriba el título del documento 9 5.2 Especificaciones La fabricación de la etapa de potencia de la célula PEBB se realizó con elementos que pudieran ser conseguidos en Colombia. No se fabricó la tarjeta de control, el programa se montó en la Compact Rio disponible en la universidad y este se diseñó para funcionar en modo de medio puente o puente completo, monofásico. La potencia máxima que puede soportar cada célula es de 800W. Las pruebas de potencia están limitadas a los valores de voltaje y corriente que pueden entregar la toma eléctrica de la universidad. 120 Vrms y 8 A para conexiones monofásicas.. 6. METODOLOGÍA DEL TRABAJO A continuación se procede a describir el proceso seguido para la realización del proyecto en el orden cronológico en que se realizó cada actividad. 6.1 Plan de trabajo El plan de trabajo se basó en el cronograma entregado en la propuesta el cual consiste de las siguientes partes: Revisión estado del Arte: Se realizó una amplia consulta en las bases de datos de la universidad en búsqueda de trabajos relevantes al proyecto en el campo de los PEBB, aquí se encontró una secuencia cronológica en las ideas del PEBB, desde sus antecedentes, la primera vez que se mencionó este concepto y los trabajos que se han desarrollado hasta al momento a partir de esta idea madre. Con base en la información aquí encontrada se sientan las bases para realizar el diseño con base en los objetivos planteados. Diseño: A partir de esta instancia se realizó un trabajo en conjunto con el estudiante de Maestría Juan Camilo Delgado, cuya tesis de Maestría consiste también en el diseño e implementación de PEBB, con él se realizó el diseño básico de la célula, se realizaron pruebas computacionales de desempeño de la misma y se analizaron los distintos componentes que debían utilizarse para la implementación real de la misma. Implementación: Con base en el diseño realizado en la etapa anterior se procedió a adquirir los elementos que lo componen y realizar la implementación del mismo, primero en protoboard, y después en una PCB diseñada para el caso. Pruebas y ajustes: En esta etapa surgieron la mayor cantidad de inconvenientes, pues el funcionamiento real no era 100% acorde al revisado en la teoría o a lo visto en las simulaciones. En esta etapa se invirtió la mayor cantidad del tiempo del proyecto y se realizaron varias modificaciones el diseño inicial, tanto del control como de la etapa de.
(10) Escriba el título del documento 10 potencia. La mayoría de estos inconvenientes fueron superados, en otros aún se continúa trabajando. Documentación: Esta fue una etapa realizada en paralelo a todo el proyecto y consistió básicamente en ir almacenando los resultados obtenidos para al final del proyecto realizar el documento final. Esta etapa fue realizada adecuadamente con los resultados finales, pero no fue lo suficientemente rigurosa con los resultados intermedios, lo que hubiera sido muy útil para que cuando futuras investigaciones quisieran realizar investigaciones similares supieran que tipo de errores se pueden presentar y que efecto tienen estos en la salida del sistema. 6.2 Búsqueda de información Como se mencionó anteriormente, la principal fuente de información para la consulta de estado del arte y proyectos donde se enfrentaran a problemas similares fue la base de datos IEEE Explore. También fueron vitales los conocimientos adquiridos en la materia de electrónica de potencia, y también se presentaron algunos problemas revisados en la materia de taller de potencia. Fueron vitales también los conocimientos de Juan Camilo Delgado sobre la plataforma en la cual se desarrolló el control del sistema, la Compact Rio. 6.3 Alternativas de desarrollo En el momento del diseño, la estructura de la célula fue realizada con facilidad, ya que es un elemento en común de todos los conversores de energía fácilmente identificable. Los puntos donde había mayor cantidad de opciones eran la arquitectura de control y los elementos que debían constituir la celda de potencia. Para el sistema de control había una gran cantidad de posibilidades, entre las cuales estaban SPWM, SV-PWM, Lazo abierto, lazo cerrado, cada una ofreciendo distintas características en términos de complejidad, distorsión y controlabilidad. Finalmente se decidió implementar SPWM en lazo abierto, debido a que se trataba del primer prototipo a construir y la idea era mantenerlo lo más simple posible e irlo complicando poco a poco con futuras investigaciones. Para la elección de los componentes se tenía una inmensa variedad de donde escoger, y los criterios para esta selección fueron la capacidad de adquirirlo fácilmente, es decir que no fuera necesario realizar importaciones y esperas muy largas, que tuviera unas características eléctricas medianamente buenas, y entre los que cumplieran con esto, escoger el de menor costo posible..
(11) Escriba el título del documento 11 7. TRABAJO REALIZADO El trabajo comenzó con la revisión del estado del arte, de donde salió el cuerpo del diseño, tanto del control como de la etapa de potencia de la célula. Para la definición del esquema de potencia se realizó una revisión de los distintos tipos de conversores que existen actualmente y se encontró un elemento básico en común.. Figura 7.1 Identificación de célula base en Distintos tipos de conversores. Este elemento básico fue el que constituyo la celda de potencia de la célula PEBB, y una vez definida la topología se procedió a realizar modelos computacionales que corroboraran el funcionamiento que se espera de la célula para cada configuración. El software escogido para esta labor fue Multisim, debido a las características que se enuncian a continuación: -Simulaciones más rápidas en comparación a SimuLink - Librerías más completas -Capacidad de co-simulación con LabView, lo que permite desarrollar el control y probarlo junto con el diseño. En multisim se realizaron las simulaciones del funcionamiento básico de las topologías que se muestran a continuación utilizando los bloques de control SPWM que provee el programa.. Figura 7.2. Topologías básicas simuladas en multisim.
(12) Escriba el título del documento 12 Obteniendo los siguientes resultados: a). b). c). Figura7.3. Resultados de las simulaciones para a) inversión medio puente, b) rectificación puente completo, c) inversión puente completo..
(13) Escriba el título del documento 13. Una vez comprobado el funcionamiento virtual de las distintas configuraciones se procede a elegir los componentes de la célula; dos transistores de potencia y un controlador para los disparos de los mismos. Se realizó una investigación de que ofrecía el mercado colombiano en estos dos ítems y finalmente se escogieron los siguientes elementos: Para el transistor se tuvieron en cuenta factores técnicos como el máximo voltaje que soportan, la máxima corriente y por consiguiente la capacidad de potencia, principalmente, y aspectos como el costo del transistor y su disponibilidad en el mercado. A continuación se muestra una tabla con las opciones que se conseguían en el mercado Colombiano y sus características. Vds (V) IRFP150 IRFP22n50 IRFP240 IRFP250 IRFP260 IRFP350 IRFP360 IRF730. Id (A) 100 500 200 200 200 400 400 400. Pd (W) 42 22 20 33 46 16 23 5.5. 160 277 150 190 280 190 280 74. Costo ($) 13000 18000 5000 5300 5000 5300 7300 1600. Los transistores que se encuentran resaltados fueron los que se consideraron más adecuados para la implementación, principalmente por su voltaje máximo de operación cercano a los 120 Vrms con los que se trabajaría en los laboratorios. El siguiente criterio fue la capacidad de corriente, teniendo en cuenta que los tres transistores soportan los 8A máximos que puede entregar la toma. Con base en esto, se descartó el IRFP240, debido a que una corriente mayor entrega un margen de protección a los transistores en el caso a un corto circuito, y el costo de los otros dos transistores no era muy elevado con respecto al costo del 240. Finalmente se decidió por implementar el IRFP 260, pero a pesar de que este se encontraba en el catálogo de algunas de las empresas comercializadoras, no fue posible conseguirlo, por lo que se optó por la segunda opción en la lista..
(14) Escriba el título del documento 14 El transistor escogido fue el MOSFET de potencia IRFP 250, debido a sus características superiores en comparación a otros transistores de precios similares. Las principales se muestran a continuación:. Figura 7.4. Transistor elegido IRFP 250 y sus principales características.[2] Para el driver que entregaría las señales de disparo a los mosfets se eligió el IR2110, debido a sus capacidad de manejar señales de disparo de relativa alta frecuencia, tiene la capacidad de manejar las señales de los dos transistores que componen la célula, y soporta un voltaje de offset de hasta 500V para el manejo del mosfet superior de la celda. A continuación se muestra el diagrama de conexión que se utilizó.. Figura 7.5. Diagrama de conexión del driver ir2110 con la etapa de potencia.[3] Una vez escogido el driver, y remitiéndonos a las notas de aplicación del dispositivo, se encuentra que es necesario realizar el diseño los capacitores de bootstrap con base en.
(15) Escriba el título del documento 15 el tipo de dispositivos que se van a manejar y la frecuencia de modulación con la que se quiere trabajar. La inecuación que modela el dimensionamiento de los condensadores es la siguiente:. [3] Donde: =Carga del Gate en el FET de lado de alta = Corriente máxima de fuga estática entre Gate y Source del transistor = Carga requerida para el cambio de nivel por ciclo = Corriente de fuga del condensador = Voltaje de alimentación del integrado = Caída de voltaje en el diodo en modo activo = caída de voltaje en el mosfet inferior Voltaje mínimo entre y f = Frecuencia de modulación La expresión anterior se puede desarrollar teniendo en cuenta que: -La corriente de fuga del capacitor solo aplica para condensadores electrolíticos, por lo que se recomienda usar cerámicos, y así eliminar el termino . -El valor es 0V, dado que existe un instante de tiempo en el cual = . es una constante cuando se trabaja con voltajes de offset menores a 500V y vale 5 nC. - se encuentra en el datasheet del transistor utilizado y tiene un valor de 79 nC también se encuentra en el datasheet del transistor y tiene un valor de 25uA - tiene un valor de 15V - tiene un valor de 1V y se encuentra en el datasheet del diodo, se utilizó el 1n4004 debido a sus características de voltaje y frecuencia. depende directamente de la resistencia de encendido del mosfet y de la corriente que circula a través de este, en el peor de los casos, la mayor caída se da con la mayor corriente que se va a manejar, que son 8 A. El valor de Ron se consulta del datasheet del elemento y tiene un valor de 0.07 Ω. Obteniendo así una caída de voltaje de 0.56V. -La frecuencia de modulación que se trabajo fue de 1kH. Desarrollando la expresión con los datos anteriormente mencionados, se obtuvo el siguiente resultado..
(16) Escriba el título del documento 16 Por consiguiente se decidió utilizar condensadores de 0.1uF cerámicos para las capacitancias de Bootstrap. Una vez definida la etapa de potencia con todos sus componentes se procedió al diseño del control. Este fue desarrollado en el software LabView, de National Instruments, e inicialmente fue un modelo muy básico que consistía en comparar señales seno con desfases de 180° contra una señal diente de sierra con frecuencia de 1kHz. Este diseño inicial se probó mediante cosimulacion con Multisim, utilizando los módulos anteriormente expuestos y se obtuvieron resultados semejantes. Este control inicial tenía la siguiente forma:. Figura 7.6 Control inicial empleado para realizar la cosimulacion con Multisim. Una vez comprobada esta etapa se procedió a realizar el primer montaje físico para realizar las pruebas reales. Se realizó un pequeño montaje en protoboard con tres células y debido a que las primeras pruebas se realizaron utilizando la tarjeta de adquisición fue necesario modificar un poco la estructura del control en LabView, obteniendo lo siguiente:. Figura 7.7 Control Sistema de control empleado para las pruebas con tarjeta de adquisición DAQ..
(17) Escriba el título del documento 17. En esta etapa los resultados no fueron los esperados, debido principalmente a las limitaciones de la tarjeta de adquisición para generar las señales de control, razón por la cual muchas veces se sobrelapaban los disparos y se generaban cortos. Por esta razón se decidió realizar pruebas directamente con la Compact Rio, ya que tenía una capacidad de procesamiento mucho más elevada. Una vez más, fue necesario cambiar la arquitectura del control, para que fuera compatible con los elementos disponibles en la Compact. Por ejemplo, fue necesario construir una señal diente de sierra a partir de arreglos y recorridos, ya que este tipo de señales no venias prefabricadas en el software de la Compact. Con este modelo de control se realizaron varias pruebas, y si bien se mejoraba la calidad de las señales de control que entraban a los drivers, aun existían errores que producían resultados indeseados, que fueron corrigiéndose poco a poco con la pruebas reales, y de esta forma llegar a un módulo definitivo de control en la Compact Rio, el cal se muestra a continuación.. Figura 7.7. Control final Diseñado en la Compact Rio. Este módulo por sí mismo es capaz de generar las señales de control para trabajar ya sea en rectificación o en inversión. La diferencia radica principalmente en el origen de la señal seno que se utiliza en el SPWM. En la parte inferior del módulo se encuentra la generación de la señal diente de sierra, inmediatamente sobre esta se encuentra la adquisición o generación de la señal seno, y todos los tratamientos que se les realizan a ambas señales previos a la comparación de las mismas, estos tratamientos, como el manejo de la amplitud de las señales, el agregado de offset a las mismas, o los retrasos que se observan.
(18) Escriba el título del documento 18 justo antes de ingresar a la salida de la Compact Rio, fueron incluidos durante las pruebas para corregir errores que se presentaron durante las mismas. Paralelo a esto se desarrollaron las PCB a las cuales se esperaba soldar el montaje final. Inicialmente se fabricaron 3 PCB con el siguiente diseño:. a) b) Figura 7.8. a) Diseño inicial de la PCB, y b) su equivalente en el circuito de prueba montado en protoboard Las pruebas realizadas con esta PCB fueron aceptables en cuanto al funcionamiento, pero esta PCB tenía varios errores, como por ejemplo, el tamaño del porta fusibles que mal dimensionado, Quedaron ángulos rectos en los caminos, y las distancias de los orificios para las conexiones hacia el exterior quedaron muy al interior de la placa, por lo que fue necesario sacar estas conexiones con cables, además, aun no estaba incluido el sensor de corriente que sería el responsable de realizar una protección digital contra sobre corrientes.. Con base en lo anterior se Re-diseñó la PCB para corregir estos aspectos y se fabricaron 4 de estas. Dado que el montaje en protoboard funcionaba de manera adecuada se procedió a soldar los elementos a la nueva PCB, pero una vez en esta el sistema no funciono de manera correcta. Después de una gran cantidad de pruebas de todo tipo no fue posible dar con la razón exacta de porque no funcionaba la célula en la PCB siendo una imagen exacta de la montada en protoboard, pero se decidió rediseñar la PCB nuevamente para mejorar algunos aspectos como el ancho de las pistas y la distancia que separa a los caminos de potencia, esta vez basándonos en el estándar general para el Diseño de circuitos impresos ANSI-IPC 2221..
(19) Escriba el título del documento 19. a). b) Figura 7.9. a) PCB con la cual se realizaron las últimas pruebas, b) PCB rediseñada con la que se espera corregir los errores.. Con base en la norma anteriormente mostrada se calcula la capacidad de corriente de los caminos de potencia utilizando la siguiente expresión.. Ancho [mils] = {. } / (L * 1,378). I: Máxima corriente que atraviesa el conductor (A) k1, k2, k3: constantes definidas por el estándar con valores de 0,0647, 0,4281 y 0,6732 respectivamente : Cambio máximo de temperatura que se desea se presente en el conductor cuando lo atraviesa la máxima corriente. (C°) L: Espesor del conductor (Onzas por pie cubico) Desarrollando la expresión se llegaron a las siguientes características de los caminos de potencia.. Tipo de camino Caminos de potencia Caminos del offset del driver Caminos de control y bajo voltaje (15V). Ancho 3,8 mm 1,77mm 0,4mm. Capacidad de corriente 8,5A 5A 1,8A. Calentamiento 20° 20° 20°. Debido a estos valores de corriente se escogió un fusible de 10A como protección en primera estancia del bloque constructivo..
(20) Escriba el título del documento 20 También se tuvieron en cuenta otras consideraciones del estándar como la separación mínima entre los caminos según el nivel de voltaje (0.1mm para los caminos de 15V y 1.25mm para los caminos de potencia), consideraciones de ubicación de tierras y voltajes de alimentación, y consideraciones en cuanto al camino de las conexiones, que tiene que ver con el ángulo en que se hacen los giros y buscar que la mayoría de las conexiones sean en línea recta entre origen y destino. La célula en PCB quedo finalmente construida de la siguiente manera:. Figura 7.10. Vista real del bloque constructivo implementado en PCB. Ficha Técnica Capacidad de corriente etapa de potencia Maximo voltaje etapa de potencia Disipacion de la celda Maxima potencia transmitida Capacitancias de Bootstrap Voltaje alimentacion Driver. 8,5A 200V 194W 1700W 25nF 15V. Hacia la parte final del proyecto se decidió montar un pequeño caso de estudio en el que se pudiera apreciar el funcionamiento bidireccional de las células en configuración monofásica. La configuración y el montaje final se muestran a continuación..
(21) Escriba el título del documento 21. a). Figura 7.11. a) Esquema del caso de estudio implementado, b) vista real del caso de estudio final con el que evaluó el funcionamiento del proyecto.. b) 8. VALIDACIÓN DEL TRABAJO 8.1 Metodología de prueba Para la validación del funcionamiento de la célula se realizó el siguiente procedimiento. -Establecer qué tipo de funcionalidad se iba a evaluar y en que configuración. (Rectificación, inversión, medio puente, puente completo). -Realizar las conexiones necesarias para montar la configuración escogida. -Configurar el control para la funcionalidad requerida -Conectar la alimentación de voltaje para los drivers -encender la fuente a convertir y desde cero ir aumentando el voltaje mientras se observan las salidas deseadas -Las salidas observadas en cada prueba eran: *Señales de disparo que salían de la Compact Rio * Señales que llegaban al gate de cada MOSFET *Señal de potencia de entrada * Señal de potencia de salida..
(22) Escriba el título del documento 22 8.2 Validación de los resultados del trabajo Para la obtención de los resultados se realizaron pruebas en dos entornos diferentes, las primeras con fuentes de baja potencia y generadores de señales, y las segundas en el laboratorio de potencia con fuentes que tenían verdadera capacidad de potencia. Los resultados variaron de un entorno a otro, y para las pruebas de potencia fue necesario realizar ajustes. A continuación se muestran los resultados obtenidos de las pruebas en cada entorno. Pruebas de baja potencia (ML_009): Estas pruebas se realizaron utilizando las fuentes DC duales presentes en el laboratorio para la energización de los drivers y las pruebas de inversión, y generador de señales con una capacidad máxima de 20Vpp y salida de alta impedancia. Se realizaron pruebas de rectificación e inversión para medio puente y puente completo. Obteniendo las siguientes formas de onda para cada caso Rectificación medio puente:. Inversión medio puente:.
(23) Escriba el título del documento 23. Rectificación puente completo:. Inversión puente completo:. Figura 8.1 Resultados obtenidos en la sala ML_009. Pruebas de Potencia (ML_040): Una vez comprobado el funcionamiento con baja potencio se procedió a realizar las pruebas de potencia. Para estar pruebas se usó el mismo tipo de fuente para la energización de los drivers, y se usó un variAC con capacidad de hasta 120 Vrms para las pruebas de rectificación, y dos fuentes DC conectadas en serie inicialmente pero al final se usó la misma señal rectificada de la primera etapa, a continuación se muestran los resultados de cada módulo por separado y los resultados definitivos del proyecto con las etapas de rectificación e inversión interconectadas..
(24) Escriba el título del documento 24 Señales de disparo a la entrada de los Gate de cada mosfet:. Rectificación:. Inversión:.
(25) Escriba el título del documento 25 Salida total del sistema con los módulos interconectados:. Figura 8.2 Resultados obtenidos en la sala ML_040, pruebas de potencia. Para esta última prueba se conectó una carga resistiva de 110 Ω y una capacidad de aguantar hasta 500W.. 8.3 Evaluación del plan de trabajo Los resultados obtenidos fueron producto de una gran dedicación de horas de trabajo, sobre todo en la etapa de pruebas reales, donde surgieron la mayor cantidad de inconvenientes. Al final se logró cumplir en un 100% el objetivo de funcionalidad del proyecto, pero falto conseguir hacerlo funcionar en PCB, que era también un objetivo importante del proyecto, para poder dejar las células construidas a la universidad para posteriores aplicaciones. Se espera que con la implementación del nueva PCB, que aún no estaba fabricada al momento de la realización de este informe, se pueda lograr la culminación total del proyecto tal y como fue planteado inicialmente. El proyecto fue realizado en conjunto con el estudiante de Maestría Juan Camilo Delgado, su trabajo fue especialmente crucial al momento de diseñar el sistema de control y programarlo en la compact Rio, mientras que yo me enfoque en el desarrollo de las PCB y en el montaje físico de las células, una vez empezada la etapa de pruebas reales, las contribuciones al proyecto fueron en igual proporción tanto para mejorar aspectos del montaje como los algoritmos de control..
(26) Escriba el título del documento 26 9. DISCUSIÓN Se realizó un proyecto de implementación que presento los inconvenientes propios de los proyectos de esta índole, a pesar de que a consideración nuestra, el protocolo de desarrollo fue el correcto. Los principales problemas que encontramos se dieron en la etapa de pruebas de potencia, estos fueron: Cortos en la rama de potencia de la célula debido al sobrelapamiento de las señales de disparo de los drivers, lo que producía que ambos mosfets condujeran al tiempo. Esto se corrigió agregando un offset negativo a la señal seno con la que se sincronizaban los disparos, ya que con esto conseguíamos reducir el ciclo útil de las señales de PWM y evitar que estas coincidieran en algún punto. Cortos en distintas partes del circuito en general debido a problemas de acoplamiento de tierras. Este problema se generaba debido a que las tierras de los equipos estaban interconectadas en la red, y cuando se realizaban mediciones con el osciloscopio se generaban caminos de resistencia despreciable entre el punto en el que colocaba la tierra de la sonda del osciloscopio y el punto donde se colocaba la tierra de otra fuente, como la DC o el variAC. Esto se corrigió mediante el uso de adaptadores 3 a 2 patas para conectar las fuentes a la red y aislar así sus tierras de las del osciloscopio y poder realizar las mediciones. Mal funcionamiento de los drivers debido a que se habían colocado diodos Schottky en lugar de diodos normales en la configuración de alimentación de los drivers. Cortos en la rama de potencia cuando se hacía rectificación debido a que no había sincronización entre la señal de entrada y la señal de disparo del SPWM, se intentó corregir mediante la implementación de un PLL, pero no fue posible debido a diferencias entre los clocks de la compact Rio que causaba que la señal de salida tuviera un corrimiento de fase constante que evitaba la sincronización. Por esto se decidió realizar la comparación para los disparos del SPWM con señal atenuada tomada directamente de la fuente a rectificar, con esto logramos el correcto funcionamiento de los módulos, pero es necesario que para futuros trabajos se logre implementar de manera correcta el PLL..
(27) Escriba el título del documento 27. 10 CONCLUSIONES . La modularización de la electrónica de potencia facilita de gran manera el proceso de diseño de conversores, y maneja una gran variedad de funcionalidades.. . Debido a la naturaleza complementaria de los disparos de control, es posible contar con un único control para una gran cantidad de células PEBB funcionando en simultáneo en un mismo conversor.. . Los bloques se pueden interconectar vertical u horizontalmente, para cumplir con requerimientos de potencia o de funcionalidad según sea el caso.. . Se requiere más trabajo en el proceso de sincronización de las señales de disparo con la red, ya que no siempre va a ser posible tomando mediciones directamente de la fuente al control.. . Cuando se realizan trabajos con potencias altas, las características de los equipos de medición juegan un papel crucial, y si no se tiene mucho cuidado con esto se pueden generar daños tanto en los equipos como en el prototipo. . En este trabajo solo se abordaron conversión AC/DC y DC/AC, pero se considera que es posible lograr también conversión DC/DC e inversión multinivel. . Otra línea de investigación que se puede derivar de este proyecto es el diseño de protecciones para las células, en especial de los drivers, ya que estos son los elementos más sensibles del conjunto..
(28) Escriba el título del documento 28. 11 REFERENCIAS. [R.A. Dougal, A. Monti, F. Ponci. “The Incremental Design Process for Power Electronics Building Blocks”. Power Engineering Society General Meeting, 2006. [1]. [2] International Rectifier. IRFP250 Datasheet. [3] International Rectifier. IR2110 Datasheet and Application Note.. Ericsen, Terry; Khersonsky, Yuri; Schugart, Perry; Steimer, Peter. “PEBB – Power Electronics Building Blocks, from Concept to Reality”. [4]. [5] Todd Begalke , A Direct Isolated Bi-directional Converter as aPower Electronic. Building Block (PEBB) , T.I.P.S., llc., Minneapolis, USA [6] Modeling and control of PEBB based boostrectifier system-. Jenica Ileana Corcau. [7] PEBB Concept and the IEEE Power Electronics Standards - Yuri Khersonsky. [8] IPC-2221 Generic Standard on Printed Board Design [9] http://www.ieespain.com/files/Tutorial002.pdf.
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