LABORATORIO DE CONVERSORES ESTÁTICOS César Chillán-LCE_GR2_1 Práctica 12 CONVERSORES DC/AC TRIFÁSICO Ingeniería Eléctrica y Electrónica, Escuela Politécnica Nacional Quito, Ecuador cesar.chillan@epn.edu.ec Resumen – En esta práctica se analizará el comportamiento de los inversores DC/AC trifásico y se comprobara que las formas de onda de voltaje y corriente obtenidos en las simulaciones concuerdan con las formas de obtenidas durante la práctica. Los inversores se utilizan en aplicaciones tales como motores de alterna de velocidad ajustable, sistemas de alimentación ininterrumpida y dispositivos de corriente alterna que funcionen a partir de una batería de automóvil. de línea a neutro. La frecuencia de salida puede controlarse variando la frecuencia de conmutación. El valor de la tensión de salida depende del valor de la tensión de alimentación de continua. Para controlar la tensión de salida del inversor de seis pasos, se debe ajustar la tensión continua de entrada. Trabajo Preparatorio INTRODUCCIÓN En [4], Los inversores son circuitos que convierten la corriente continua en corriente alterna. Más exactamente, los inversores transfieren potencia desde una fuente de continua a una carga de alterna. El objetivo es crear una tensión alterna cuando sólo hay disponible una fuente de tensión continua. A. Dibujar las formas de onda que se obtendrán sobre cargas resistivas en el convertidor DC/AC trifásico puente para ángulos de conducción de 180 y 120 grados. Conducción de 180 grados: La forma de onda de salida está formada por una serie de pulsos rectangulares con transiciones bruscas. El número de fases de la salida está definido por la topología del conversor, y la frecuencia y amplitud de la variable controlada (voltaje o corriente) están definidas por el control del conversor. Fig.1 Convertidor DC/AC trifásico La aplicación principal de este circuito es el control de la velocidad de los motores de inducción, donde se varía la frecuencia de salida. La carga trifásica conectada a esta tensión de salida puede ser conectada en triángulo o conectarse en estrella, con neutro sin toma de tierra. Para una carga conectada en estrella, que es la forma más común de conexión, la tensión de la carga en cada fase es la tensión Fig.2 Convertidor DC/AC trifásico-conducción 180 grados Conducción de 120 grados: Fig.3 Convertidor DC/AC trifásico-conducción 120 grados B. Implementar en un microcontrolador el sistema que permita generar las señales de control necesarias para que el circuito funcione para los dos ángulos de conducción para obtener 60Hz y 30Hz. La frecuencia por entregar se seleccionará por medio de un interruptor conectado a un microcontrolador. #include <avr/io.h> #include <avr/interrupt.h> #define LED 13 #define Pulsante1 18 #define Pulsante2 19 #define Disparo_T1 38 #define Disparo_T2 40 #define Disparo_T3 42 #define Disparo_T4 44 #define Disparo_T5 46 #define Disparo_T6 48 //1CM=62,5nseg para hacer cálculos int Modo_conduccion='A'; int Frecuencia_inversor='A'; int Bandera_led='A'; int Zona_muerta=50; int Conta_interrup=0;// Esta variable va a contar el numero de interrupciones // cada 60grados en un periodo. void setup() { pinMode(LED, OUTPUT); pinMode(Pulsante1, INPUT_PULLUP); pinMode(Pulsante2, INPUT_PULLUP); pinMode(Disparo_T1, OUTPUT); pinMode(Disparo_T2, OUTPUT); pinMode(Disparo_T3, OUTPUT); pinMode(Disparo_T4, OUTPUT); pinMode(Disparo_T5, OUTPUT); pinMode(Disparo_T6, OUTPUT); cli();//Se desactiva el llamado global de interrupciones //Configuración de la interrupcion externa: EICRA=_BV(ISC31)|_BV(ISC30)|_BV(ISC21)|_BV(ISC20 ); EIMSK=_BV(INT3)|_BV(INT2); EIFR=_BV(INTF3)|_BV(INTF2); //Configuracion de la base de tiempo para el control: TCCR5A=0; TCCR5B=_BV(WGM52)|_BV(CS51);//y preescalador 1/8 OCR5A=5556;//Generar una interrupcion cada 60 grados TIMSK5=_BV(OCIE5A); //LED aviso visual: TCCR1A=0; TCCR1B=_BV(WGM12)|_BV(CS11)|_BV(CS10);//y preescalador 1/8 OCR1A=12500;//Generar una interrupcion cada 60 grados TIMSK1=_BV(OCIE1A); sei(); } ISR(INT2_vect) { if(Frecuencia_inversor=='A') { OCR5A=11112;//Frecuencia de salida=30Hz Frecuencia_inversor='B'; } else { OCR5A=5556;//Frecuencia de salida=60Hz Frecuencia_inversor='A'; } } Fig.4 Diagrama de flujo, inversor trifásico ISR(INT3_vect) { if(Modo_conduccion=='A') { Modo_conduccion='B'; } else { Modo_conduccion='A'; } } ISR(TIMER1_COMPA_vect) { if(Bandera_led=='A') { digitalWrite(LED,HIGH); Bandera_led='B'; } else { digitalWrite(LED,LOW); Bandera_led='A'; } } ISR(TIMER5_COMPA_vect) { if(Conta_interrup==6) { Conta_interrup=0; } Conta_interrup=Conta_interrup+1; digitalWrite(Disparo_T4,HIGH); digitalWrite(Disparo_T5,HIGH); digitalWrite(Disparo_T6,HIGH); break; } } else { switch(Conta_interrup)//Conduccion de 120grados { case 1: digitalWrite(Disparo_T1,HIGH); digitalWrite(Disparo_T2,LOW); digitalWrite(Disparo_T3,LOW); digitalWrite(Disparo_T4,LOW); digitalWrite(Disparo_T5,LOW); digitalWrite(Disparo_T6,HIGH); break; case 2: digitalWrite(Disparo_T1,HIGH); digitalWrite(Disparo_T2,HIGH); digitalWrite(Disparo_T3,LOW); digitalWrite(Disparo_T4,LOW); digitalWrite(Disparo_T5,LOW); digitalWrite(Disparo_T6,LOW); break; } void loop() { if (Modo_conduccion=='A') { switch(Conta_interrup)//Conducción de 180 grados { case 1: digitalWrite(Disparo_T1,HIGH); digitalWrite(Disparo_T2,LOW); digitalWrite(Disparo_T3,LOW); digitalWrite(Disparo_T4,LOW); digitalWrite(Disparo_T5,HIGH); digitalWrite(Disparo_T6,HIGH); break; case 3: digitalWrite(Disparo_T1,LOW); digitalWrite(Disparo_T2,HIGH); digitalWrite(Disparo_T3,HIGH); digitalWrite(Disparo_T4,LOW); digitalWrite(Disparo_T5,LOW); digitalWrite(Disparo_T6,LOW); break; case 4: digitalWrite(Disparo_T1,LOW); digitalWrite(Disparo_T2,LOW); digitalWrite(Disparo_T3,HIGH); digitalWrite(Disparo_T4,HIGH); digitalWrite(Disparo_T5,LOW); digitalWrite(Disparo_T6,LOW); break; case 2: digitalWrite(Disparo_T1,HIGH); digitalWrite(Disparo_T2,HIGH); digitalWrite(Disparo_T3,LOW); digitalWrite(Disparo_T4,LOW); digitalWrite(Disparo_T5,LOW); digitalWrite(Disparo_T6,HIGH); break; case 5: digitalWrite(Disparo_T1,LOW); digitalWrite(Disparo_T2,LOW); digitalWrite(Disparo_T3,LOW); digitalWrite(Disparo_T4,HIGH); digitalWrite(Disparo_T5,HIGH); digitalWrite(Disparo_T6,LOW); break; case 3: digitalWrite(Disparo_T1,HIGH); digitalWrite(Disparo_T2,HIGH); digitalWrite(Disparo_T3,HIGH); digitalWrite(Disparo_T4,LOW); digitalWrite(Disparo_T5,LOW); digitalWrite(Disparo_T6,LOW); break; case 4: digitalWrite(Disparo_T1,LOW); digitalWrite(Disparo_T2,HIGH); digitalWrite(Disparo_T3,HIGH); digitalWrite(Disparo_T4,HIGH); digitalWrite(Disparo_T5,LOW); digitalWrite(Disparo_T6,LOW); break; case 5: digitalWrite(Disparo_T1,LOW); digitalWrite(Disparo_T2,LOW); digitalWrite(Disparo_T3,HIGH); digitalWrite(Disparo_T4,HIGH); digitalWrite(Disparo_T5,HIGH); digitalWrite(Disparo_T6,LOW); break; case 6: digitalWrite(Disparo_T1,LOW); digitalWrite(Disparo_T2,LOW); digitalWrite(Disparo_T3,LOW); case 6: digitalWrite(Disparo_T1,LOW); digitalWrite(Disparo_T2,LOW); digitalWrite(Disparo_T3,LOW); digitalWrite(Disparo_T4,LOW); digitalWrite(Disparo_T5,HIGH); digitalWrite(Disparo_T6,HIGH); break; } } } C. Implementar el circuito de potencia y control para el circuito indicado, con las siguientes especificaciones: E=40VDC aproximadamente, que se obtendrán de las fuentes de laboratorio. Carga R (la potencia será baja de manera que pueda ser abastecida por la fuente del laboratorio). Debido a que solo se utilizará una sola fuente para implementar el inversor trifásico, no se tiene una toma central, por lo cual el Vneutro no se mantiene fijo y va cambiando según el valor de la carga que se conecte (por este motivo solo se utiliza con cargas equilibradas). D. Realizar las simulaciones de los diseños de los numerales anteriores. Simulación del Inversor Push pull Conducción de 180 grados: Fig.5 Inversor tipo puente Utilizando una carga equilibrada de valor R, se tiene que: 𝑉𝑁𝑒𝑢𝑡𝑟𝑜 = 2∙𝐸 3 Según la secuencia de los pulsos de control para una conducción de 180 grados, siempre conducen 3 mosfet a la vez, razón por la cual siempre quedan 2 resistencia de la carga en paralelo y debido que se está trabajando con carga equilibrada, el valor de la resistencia equivalente resulta ser la mitad de la resistencia de una de las fases. Si la carga es de R=100 ohm: 𝐼𝑚𝑜𝑠𝑓𝑒𝑡 Fig.6 Inversor tipo puente 2∙𝐸 2 ∙ 40 3 = = 3 = 0.266𝐴 𝑅 100 El voltaje que debe soportar el mosfet cuando este no esta conduciendo debe ser: 𝐸 = 40𝑉𝐷𝐶. El mosfet debe soportar como máximo el voltaje E de 40 voltios y una corriente de 0.266 amperios Fig.7 Corriente en la fase R (Azul) Corriente en la fase S (Verde) Corriente en la fase T (Morado) 𝐼𝑚𝑜𝑠𝑓𝑒𝑡 = 𝐼𝑚𝑎𝑥 𝐼𝑚𝑜𝑠𝑓𝑒𝑡 = 0.266𝐴 El mosfet IRF540N tiene las siguientes características: La corriente 𝐼𝑑𝑚𝑎𝑥 = 0.266𝐴 y el 𝑉𝑑𝑠 = 40𝑉 Fig.8 Voltaje entre fases 𝑃𝑚𝑜𝑠𝑓𝑒𝑡 = 𝑅𝑑𝑠𝑜𝑛 ∙ 𝐼𝑑 2 REFERENCIAS Para el mosfet IRF540, se tiene un 𝑅𝑑𝑠𝑜𝑛 = 0.055Ω 𝑃𝑚𝑜𝑠𝑓𝑒𝑡 = 0.055 ∙ 0.2662 = 3.891𝑚𝑊 También este mosfet tiene las siguientes características: 𝑉𝑑𝑠 = 100𝑉 𝐼𝑑𝑚𝑎𝑥 = 22𝐴 𝑃𝑚𝑎𝑥 = 85𝑊 [1] Apuntes de Electrónica de potencia, Ing. Patricio Chico [2] Power Electronics: Devices, Drivers, Applications, and Passive Components-Barry Wayne Williams [Online], Available: http://personal.strath.ac.uk/barry.williams/book.htm [3] Electrónica de potencia, Juan D. Aguilar Peña, Escuela Politécnica Superior (Universidad de Jaén), 2005. [4] Electrónica de potencia, Daniel W. Hart, 1ra edición, Prentice hall [5] Amplificadores operacionales y circuitos integrados lineales, Robert F. Coughlin, Prentice hall [6] CONVERTIDORES DC-DC AISLADOS [Online], Available: https://es.rs-online.com/web/c/fuentes-de-alimentacion-ytransformadores/convertidores-dc-dc/convertidores-dc-dcaislados/?pn=2