DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN INVERSOR TRIFÁSICO
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- María Ángeles Navarrete Revuelta
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1 cientia et echnica Año XIV, No 40, Diciembre de 008. Univeridad ecnológica de Pereira. IN DIEÑO Y ONUIÓN DE UN INVEO IFÁIO Deign and ontruction of a hreephae inverter EUMEN Ete artículo preenta el dieño y contrucción de un inveror trifáico, el cual muetra el principio de operación de la topología de 3 rama, caracterítica de la proteccione, y reultado experimentale de acuerdo a la técnica de modulación utilizada. omo carga e implementó una configuración L que fue ometida a un nivel de voltaje de 7.1V. Ademá e aplicó un filtro en configuración L paabajo donde e eliminó dede el tercer armónico PALABA LAVE: ompenación, Electrónica de Potencia, ed nubber, PWM. ABA hi document preent the deign and contruction of a threephae invetor, who how the principle of operation of the topology of 3 branche, characteritic of the protection, and experimental reult according to the technique of ued modulation. A it load implemented a configuration L that wa put under a level of voltage of 7.1V. In addition a filter in configuration L wa applied paunder where it wa eliminated from the third overtone KEYWOD: ompenation, Power electronic, PWM, nubber Network. ALO ANDÉ OE P. Ingeniero Electricita, M. c. Etudiante de Doctorado en Ingeniería Electrónica Univeritat ovira I Virgili carloandre.torre@urv.cat DUBENEY MUILLO Y. Ingeniero Electricita, M. c (c). Profeor atedrático Ingeniería Eléctrica Univeridad ecnológica de Pereira duberneymurillo@gmail.com ALO EEPO PAIÑO Ingeniero Electricita, M. c. Etudiante de Doctorado en Ingeniería Electrónica Univeritat ovira I Virgili carlo.retrepo@urv.cat Grupo de Invetigación en Electrónica de Potencia UP 1. INODUIÓN El dearrollo de dipoitivo electrónico, aí como gran cantidad de carga no lineale exitente en intalacione indutriale y comerciale tale como convertidore de potencia (controladore de velocidad de motore, fuente de alimentación conmutada, horno etc.), han deteriorado la calidad de la energía en lo itema de ditribución y tranmiión, cauando una operación no deeada de lo itema eléctrico [1]. Por tal motivo e ha creado la neceidad de dieñar y contruir prototipo tale como inverore trifáico, para luego er implementado en actividade como: compenadore etático de reactivo, compenación de armónico, corrección del factor de potencia, etc., tratando de eta manera reducir la magnitud de dicho problema. El avance que han experimentado lo emiconductore, en término de frecuencia de conmutación, pérdida en conducción y facilidad de manejo han contribuido en gran medida a la popularización de ete tipo de convertidore y u evolución []. El objetivo de un inveror trifáico e generar energía eléctrica de corriente alterna a partir de una fuente de energía de corriente continua, con magnitude y frecuencia deeada. e contituye principalmente por Fecha de ecepción: 8 de eptiembre de 008 Fecha de Aceptación: 1 de Diciembre de 008. dipoitivo electrónico de potencia, que trabajan como interruptore operando en corte y aturación con una ecuencia apropiada para obtener tre tenione de alida imétrica y balanceada. El controlador e otro componente fundamental en la contitución del convertidor, e el que genera la eñale de encendido y apagado de lo dipoitivo emiconductore y garantiza u buen comportamiento. ualquier tipo de inveror (monofáico ó trifáico) utilizan dipoitivo con activación y deactivación controlada (e decir BJ, MOFE, IGB, M, I, GO) o tiritore de conmutación forzada, egún la aplicación. Un inveror e puede claificar egún el tipo de entrada en: VI (Inveror por fuente de tenión), I (Inveror por fuente de corriente), iendo ete ultimo utilizado olo en aplicacione con excitadore de motore A de muy alta potencia o en excitadore de control vectorial [3].. ONFIGUAIÓN DEL IUIO La Figura 1 muetra la topología de un inveror VI trifáico en puente completo, el cual e componen de 6 tranitore IGB, cada uno con un diodo en conexión invera, empleado para conducir la corriente reactiva de retorno a la fuente de tenión E. Eto inverore e dividen egún u forma de operar en: conducción a 180º de cada elemento, con lo cual habrá 3 elemento en conducción al mimo tiempo y conducción a 10º, con
2 38 cientia et echnica Año XIV, No 40, Diciembre de 008. Univeridad ecnológica de Pereira. elemento por vez. Ademá pueden alimentar lo do tipo caracterítico de carga trifáica imétrica: conexión delta y etrella. tranitore. La eñale de excitación e muetran en la figura 3. La ecuencia de conducción de lo tranitore e 61, 1, 3, 34, 45, 56, 61. G 1 G π π Q 3 Q 5 G 3 E a b c G 4 G 5 G 6 Q 6 Q V ab b V ab V bc V bc V ca a c n Figura 1. Inveror puente trifáico de 3 rama.. V ca.1 onducción a 180º ada tranitor conducirá durante 180º. re tranitore e mantienen activo durante cada intante del tiempo. uando el tranitor Q1 etá activado, la fae a e conecta con la terminal poitiva del voltaje de entrada. uando e activa el tranitor Q4, la fae a e lleva a la terminal negativa de la fuente D. En cada ciclo exiten ei modo de operación, cuya duración e de 60o. Lo tranitore e numeran egún u ecuencia de excitación por ejemplo (13, 34, 345, 456, 561, 61). La eñale de excitación motrada en la Figura etán deplazada 60o una de otra, para obtener voltaje trifáico balanceado [3]. G 1 G G 3 G 4 G 5 G 6 V ab V bc V ca π Figura. ecuencia de la eñale de excitación de lo tranitore a 180º..1 onducción a 10º En ete tipo de control, cada tranitor conduce durante 10º. En cualquier intante del tiempo, ólo conducen do π Figura 3. ecuencia de la eñale de excitación de lo tranitore a 10º. 3. POEIÓN PAA ENENDIDO Y APAGADO DE LO IGB Eta protección má conocida como red nubber, e puede coniderar como un conjunto de componente (paivo y/o activo) que e incorporan a un circuito de potencia, para la protección de dipoitivo de conmutación contra la tranicione de encendido y de apagado, aegurando un régimen de trabajo eguro [4]. La función principal que dearrollan lo circuito nubber e aborber la energía procedente de lo elemento reactivo del circuito durante el proceo de conmutación controlando parámetro tale como la evolución de la tenión o corriente en el interruptor, o bien limitando lo valore máximo de tenión que ha de oportar. e incrementa de eta forma la fiabilidad de lo emiconductore al reducire la degradación que ufren debido a lo aumento de potencia diipada y de la temperatura de la unión. Aunque exiten ditinto tipo de circuito, en el dieño olamente utilizaremo el nubber de enión D, el cual e un tipo de circuito que encuentra un amplio campo de aplicación en la protección de interruptore, como e el cao de lo tranitore bipolare. e ditinguin do utilidade en lo circuito D (reitencia condenador y diodo): ontrol de la pendiente de ubida de la tenión en el interruptor durante el tranitorio de apagado. Enclavamiento de la tenión en el interruptor. En la Figura 4 e oberva el equema de la red nubber a implementar.
3 cientia et echnica Año XIV, No 40, Diciembre de 008. Univeridad ecnológica de Pereira. 39 P.76Ω < Ω 6 D = 56Ω 3.1. Potencia Diipada P = VD. f = 0.5* 0.1µ F.(50V ) * 5kHz P = 16W N Figura 4. ed nubber D. Lo diodo que e encuentran en paralelo con lo IGB, lo protegen contra alto pico de voltaje (manteniendo el flujo de corriente en la mima dirección), lo condenadore aeguran un nivel mínimo de voltaje en el dipoitivo hata que la corriente ea cero, garantizando con eto reducir la pérdida de potencia en la conmutación, y la reitencia limitan el pico de corriente de decarga a travé del tranitor a un valor eguro. 3.1 Dieño de la ed nubber Para el cálculo de la red nubber e aplica el iguiente criterio [5] apacitor nubber I L. t f *140η =. V * 00V D D 0.7ηF = 0.1µF 3.1. eitencia nubber eitencia Mínima VD 50V = I I 39A A M 6. 76Ω eitencia Máxima 4 ON (min) x10 < = 3. 3* 0.1µ F L Donde ON (min) e el mínimo tiempo de encendido. Eto quiere decir que debe er pequeño para lograr una rápida decarga de. Por lo tanto < Ω debe etar entre: 4. POEIÓN PO EMPEAUA 4.1 Diipador de alor El diipador de calor en lo circuito electrónico e una pieza clave, obre todo i e trata de electrónica de potencia, donde la elevada corriente por lo emiconductore pueden cauar u detrucción. anto aí, que en mucha aplicacione, la potencia máxima de un circuito de potencia etá limitada por el dieño térmico del itema [6] Dieño érmico del Diipador La diferencia de temperatura entre la juntura y el ambiente en condicione de etado etacionario etá dada por la iguiente ecuación obtenida del circuito térmico de la Figura 5. = P (1) J A AVE J P AVE ( ) θ J θ J θ Figura 5. Modelo térmico báico. θ θa θ A A Donde: P AVE : epreenta la potencia de pérdida diipada en cada emiconductor. θ J : epreenta la reitencia térmica entre la juntura y la carcaa del emiconductor. θ : eitencia térmica entre la carcaa del emiconductor y el diipador de calor. θ A : eitencia térmica entre el diipador y el ambiente. J : epreenta la temperatura de la juntura del emiconductor. : epreenta la temperatura de la de la carcaa. : epreenta la temperatura del diipador. A : epreenta la temperatura ambiente La reitencia θ A no depende del emiconductor, ino del tipo de diipador a uar, por tanto e una cantidad que 1. La nota de pie de página deberán etar en la página donde e citan. Letra ime New oman de 8 punto
4 40 cientia et echnica Año XIV, No 40, Diciembre de 008. Univeridad ecnológica de Pereira. depende del material, el pulimiento de u uperficie, el tamaño y la diferencia de temperatura entre el diipador y la temperatura ambiente. De la hoja de dato técnico del IGB IG4P50FD obtenemo lo parámetro de acuerdo a lo epecificado anteriormente. Parámetro P AVE J Valore 78W θ 0.64 /W θ 0.4 /W I 39A abla 1. Parámetro para el cálculo del diipador Para ete inveror la condicione on má conervadora, debido a que no e pudo acceder a fuible má avanzado como on lo fuible rápido. e utilizo fuible de 5A de 5 ciclo por egundo, para cada alida y entrada del inveror tal y como e ve en la Figura A 39A. 5A 5cp 39A 0.5cp.0833A < 1.675A ( ) ( ) ( )( ) e puede obervar que para eta elección de fuible la condicione e cumplen. De la curva contra I e oberva que F 1 ( máx ) = 100º. Aumimo una temperatura ambiente A 40º =. = P. θ = 81.8 () AVE º = A = 41.8º (3) º θ A = 0.59 PAVE W (4) 1 A = cm. σ (5) θa E Q 3 Q 5 Q 6 Q Figura 6. Inveror rifáico con fuible. 5. ONUIÓN DEL INVEO 5.1 ectificador Monofáico Implementado F F3 F4 a b c Pero cuando el diipador que e utiliza no e plano y con aleta, la dimenione calculada on má pequeña, por tal razón e ecoge un diipador de calor de aluminio por convección natural, con dimenione A = 63.78cm, para el inveror [7]. 5. POEIÓN ONA OBEOIENE Lo convertidore de potencia pueden provocar corto circuito o falla, y la corriente reultante deberán eliminare con rapidez. on el fin de prevenir ituacione de riego para lo uuario o el convertidor, e intalaron fuible, el cual u objetivo e que, en funcionamiento fuera de rango, eto e detruyan ante que otra parte valioa del convertidor o ante que e produzcan incendio o exploione. La condicione a tener en cuenta en la elección del fuible on: 1. I rm fuible I rm IGB. I t fuible I t IGB 3. Varco fuible Vrm IGB omo fuente D para la utilización del inveror e utilizo un rectificador monofáico de onda completa, contituido por 4 diodo de potencia de 600V y 50A, y un condenador electrolítico de 00µF a 50V, tal y como e muetra en la Figura 7. F N Figura 7. ectificador Monofáico. 5. arjeta de Potencia Para la contrucción del inveror e utilizaron emiconductore de potencia del tipo IGB. Epecíficamente e utilizó un módulo integrado fabricado por International ectifier (modelo IG4P50FD), con lo que e contruyó cada rama del inveror. Eto IGB oportan 39A y un voltaje de 600V entre colector y emior. En la Figura 8 e oberva el equemático de la tarjeta de potencia elaborada en el oftware EAGLE 4.11.
5 cientia et echnica Año XIV, No 40, Diciembre de 008. Univeridad ecnológica de Pereira. 41 lo condenadore de compenación, debido a que en ete tipo configuración la conexión no preenta punto de retorno. Q 3 Q 5 E 1 L Q 6 Q Figura 8. arjeta de Potencia. 5.3 arjeta de Diparo Para que lo IGB conduzcan e neceario generar una eñal de voltaje de alrededor de 15V entre la puerta y el emior. Por lo tanto, al cambiar de etado lo IGB generan tierra flotante en la fuente de diparo, lo que hace necearia la implementación de un circuito de diparo que ea capaz de generar lo 15V independientemente para cada uno [8]. Para olucionar ete problema de excitación adecuada e utilizó el circuito integrado I110 de International ectifier. En la Figura 9 e muetra el equemático de la tarjeta de diparo. Figura 10. Inveror rifáico con carga L en Y Finalmente e implementó un filtro en configuración L, la inductancia utilizada fue de 10mH y la capacitancia de 0.1µF. La medida de la forma de onda in y con filtro para una entrada de 7.1Vdc, e ilutran a continuación. Figura 11. Voltaje de línea Vab en conexión Y. Figura 9. arjeta de Diparo. 6. EULADO EXPEIMENALE Para la evaluación experimental del inveror, e utilizó el montaje motrado en la Figura 10, con un PWM a conducción 10º programado en el DP (Digital ignal Proceing) M30F81 de pectrum digital. Eta configuración e realizó para compenar el deequilibrio de la eñale de carga (voltaje y corriente) que e preentaban, debido a que lo IGB no poeían la mima caracterítica. A la alida de tenión alterna del inveror e conectó una carga L, de valore 300 Ω y 0mH conectada en etrella y en delta, eta ultima in Figura 1. Voltaje de fae Va en conexión Y. 1. La nota de pie de página deberán etar en la página donde e citan. Letra ime New oman de 8 punto
6 4 cientia et echnica Año XIV, No 40, Diciembre de 008. Univeridad ecnológica de Pereira. Figura 16. Voltaje de línea Vab filtrado en conexión delta. Figura 13. Voltaje de línea Vab filtrado en conexión Y. 7. ONLUIONE e dieño y contruyó un inveror trifáico de potencia de tre rama utilizando tranitore bipolare de puerta ailada (IGB). El dieño fue avalado mediante imulación utilizando Matlab. El análii de reultado permitió eleccionar la red nubber y obervar el comportamiento del modelo para conexione en Y y Delta con carga L. Lo reultado obervado evidencian el buen deempeño del prototipo. La conexión Y con filtro L preentó el mejor comportamiento. Figura 14. Voltaje de fae Va filtrado en conexión Y. Figura 15. Voltaje de línea Vab en conexión delta. 8. BIBLIOGAFÍA [1] F. Henao, D. adavid, H.A García, O.P. Palacio and. Bohórquez, Dieño de Filtro Activo para arga Monofáica Utilizando Algoritmo Genético, IEL. Bogotá D.., olombia, Noviembre 005. [] Introducción General a lo Inverore y u Aplicacione, Lección del temario de Electrónica de Potencia. Univeridad de Valencia, [3] Muhammad H., Electrónica de Potencia, Prentice Hall. Mexico, [4] A. Marín Pernía, ede de Ayuda a la onmutación Diipativa y no Diipativa, UNIVEIDAD DE OVIEDO, Gijón (EPAÑA), [5] K.. ajahekara, J. Vithyathil Protection and witching Aid Network for ranitor Bridge Inverter,IEEE ranaction on Indutrial, Electronic,Vol.IE33,No, MAY [6] A.A. Breton chuwirth, Dieño y ontrucción de un inveror rifáico Multunivel de uatro Etapa para ompenación Armónica,Mater thei,pontificia Univeridad atólica de chile,003. [7] L.H. ío and A. Alzate, Electrónica de Potencia, exto Electrónica de Potencia, univeridad ecnológica de Pereira, [8] L.H. ío and A. Alzate, I excitación de Alta enión y Elevada Velocidad para Hexfet o ircuito Puente con IGB,evita Epañola de Electrónica,Octubre,1990.
# La capacidad mínima del condensador de filtro que garantice que el valor de la tensión de rizado está por debajo del máximo admisible.
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