UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERÍA FACULTAD DE INGENIERÍA ELÉCTRICA Y ELECTRÓNICA

Transcripción

1 UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERÍA FACULTAD DE INGENIERÍA ELÉCTRICA Y ELECTRÓNICA "ANÁLISIS Y DISEÑO DE UN INVERSOR DE BAJA POTENCIA USANDO TÉCNICA DE MODULACIÓN POR ANCHO DE PULSO" INFORME DE SUFICIENCIA PARA OPTAR EL TITULO PROFESIONAL DE: INGENIERO ELECTRÓNICO PRESENTADO POR: ELIAS DUGALD RUIZ TUPAC YUPANQUI PROMOCIÓN 994- LIMA-PERÚ 2005

2 A nús Padres A nú Esposa A nús hjos

3 ANÁLISIS Y DISEÑO DE UN INVERSOR DE BAJA POTENCIA USANDO TÉCNICA DE MODULACIÓN POR ANCHO DE PULSO

4 SUMARIO El presente estudo trata sobre el dseño y la smulacón de un nversor de baja potenca para aplcacones domestcas. La dea prncpal es generar una tensón alterna de 220 voltos y 60 Hz partendo de la tensón contnua de bajo voltaje. Este sstema nversor comprende los módulos sguentes: el generador senodal, el modulador por ancho de pulso (PWM), el crcuto conmutador de potenca, el fltro de salda y el transformador elevador de tensón. El módulo osclador genera una señal senodal de 60 Hz, la cual es rectfcada por el rectfcador de onda completa de este msmo módulo. Estas señales n gr esan al modulador PWM, el cual, genera dos trenes de pulsos de 20 KHz, desfasados 90 º uno del otro, con tempos muertos que evta el dsparo smultaneo de los conmutadores. El módulo conmutador recbe las dos señales del módulo PWM, consttuyen éstas, las señales de dsparo para el crcuto conmutador de potenca. El modulo conmutador de potenca consta de 4 MOSFET's en arreglo "H", y su crcuto de dsparo, conmutando la tensón de contnua de bajo voltaje. Éste módulo tene como carga el fltro y el transformador de voltaje, que a su salda entrega un voltaje de 220 voltos AC con forma de onda senodal y Hz, la que puede ser empleada en aplcacones doméstcas. El fltro es usado para recuperar la armónca fundamental. El crcuto PWM es realmentado por el voltaje de salda, asegurando que los 220 voltos permanezcan constantes para cualquer carga conectada al crcuto, dentro de los parámetros de dseño.

5 ÍNDICE TABLA DE ILUSTRACIONES VII PRÓLOGO CAPÍTULO l. DESCRIPCIÓN DEL ESTADO DEL ARTE 2.. Prncpo del Inversor por Ancho de Pulsos PWM 2.2. Organzacón Básca de un PWM 3.3. Generador de Pulsos PWM Senodal 4.4. Modulacón PWM con Voltaje de Conmutacón Bpolar 4.5. Modulacón PWM con Voltaje de Conmutacón Unpolar 6.6. Relacones de Dseño del Modulador PWM 8.7. El Crcuto PWM 9.8. Pruebas de Modulacón PWM CAPÍTULO. DESCRIPCIÓN GENERAL DEL SISTEMA Dagrama de Bloques del Sstema Revsón. General del Sstema Generador Senodal con Osclador de Cuarzo Modulador PWM Crcuto Conmutador El Módulo Fltro El Transformador Elevador de Voltaje Realmentacón 33

6 VI CAPÍTULO. ANÁLISIS Y DISEÑO DE LA ETAPA DE POTENCIA 3.. El Crcuto Amplfcador PWM CAPÍTULO IV. ANÁLISIS Y DISEÑO DE LA ETAPA DE CONTROL 4.. Crcuto de Dsparo 4.2. Crcuto Generador de la Señal PWM 4.3. Característcas Internas del LM Aplcacones del LM CAPÍTULO V. RESULTADOS DE SIMULACIÓN 5.. Dagrama de Bloques del Proceso de Smulacón 5.2. Smulacón del Generador Senodal 5.3. Smulacón del Modulador PWM 5.4. Smulacón en el Crcuto Conmutador 5.4. Smulacón de la Salda del Inversor CAPÍTULO VI. EVALUACIÓN ECONÓMICA DEL PROYECTO 6.. Costo de los Componentes 6.2. Costos de Dseño y Construccón CAPÍTULO VII. CONCLUSIONES 57 ANEXOS ANEXO A: Crcuto y Smulacon En PS CAD ANEXO B: Smulacón en Pspce ANEXO C: Crcutos Electróncos BIBLIOGRAFÍA

7 TABLA DE ILUSTRACIONES Organzacón básca de un PWM. Comparador con hstéress. Dagrama del nversor monofásco onda completa. Modulacón PWM con voltaje de conmutacón bpolar. Modulacón PWM con voltaje de conmutacón unpolar. Generador de pulsos PWM senodal. Generador senodal PWM con carga RL. Formacón de la onda PULSE. Saldas de las ondas V tr, V sn y la modulacón PWM para mf = 2 y ma = Saldas de las ondas Vtr, Vsn y la modulacón PWM para mf = 00 y ma = Crcuto PWM conectado a una carga monofásca Smulacón del crcuto PWM conectado a una carga monofásca Dagrama de bloques del sstema nversor Inversor dseñado a nvel de componentes en el programa PS CAD Componentes del módulo osclador senodal Crcuto osclador de cuarzo de.25mhz Dvsor de frecuenta de.25mhz a 60Hz Fltro de 60Hz pasabajos Bessel de cuarto orden Crcuto elmnador del componente DC en la señal Rectfcador de meda onda Rectfcador de onda completa Componentes del modulador PWM Señales en el modulador PWM

8 VIII 2.2. Relacón de armóncas para frecuenca de 20KHz Etapa de potenca Esquema general del sstema de dsparo y de conmutacón Fltro de salda conf gu racón L generalzada Fltro para onda rectangular de frecuenca fja y ancho varable Dagrama de Bloques del modulo Realmentacón Crcuto de Realmentacón Crcuto amplfcador de PWM. Esquema del IRFZ44. Crcuto generador de pulsos de dsparo. Crcuto modulador PWM básco. Crcuto Generador de PWM con tempo muerto. Dagrama de tempos del crcuto generador PWM con tempo muerto Saldas del modulador PWMtm y PWM m Dagrama nterno del LMl 524. Esquema de smulacón. (Saldas A y B) Señales en la generacón de onda senodal de 60Hz. Señal de salda del módulo generador senodal con crstal Espectro de frecuencas de la salda del modulo generador PWM Salda del modulo generador PWM. Smulacón de la tensón de salda del nversor

9 PRÓLOGO El presente estudo trata el problema del análss y dseño de un nversor de baja potenca usando la técnca Modulacón por Ancho de Pulso (PWM). Este nversor puede ser empleado en cualquer lugar para aplcacones doméstcas debdo a su versatldad y portabldad. Este trabajo comprende ses (6) capítulos. El capítulo I se ocupa de una revsón general de la modulacón PWM, además de un dseño sencllo y las pruebas de un modulador PWM, a manera de ejemplo. El análss se realza cuando a su salda se le conecta una carga RL. El capítulo II descrbe cada uno de los módulos del nversor, empleando para ello el dagrama de bloques de dcho sstema. Además se muestra el dseño de los crcutos, con excepcón del modulador PWM y conmutador de potenca, que, debdo a su mportanca, se tratan en capítulos por separado. El capítulo desarrolla el análss y dseño del sstema de potenca. Este capítulo ncluye el dseño de la lógca de dsparo para los MOSFET's del amplfcador de potenca, el cual posee conf gur acón H, con el propósto de que pueda conmutar sn dfcultad entre dos nveles de señales. El capítulo IV desarrolla el dseño del crcuto de control del sstema de generacón de PWM. La salda de este crcuto es la entrada de control del amplfcador de potenca descrto en el capítulo. El capítulo V muestra los resultados de la smulacón del nversor dseñado. Dchos resultados han sdo obtendos empleando los programas Oread Capture versón 9. - Pspce, y PS CAD versón 4.. El capítulo VI presenta la evaluacón económca para la construccón del nversor de baja potenca dseñado. Esta evaluacón ncluye el costo de los materales, el de construccón y el costo de dseño. El capítulo VII expone las conclusones de este estudo.

10 CAPÍTULO I DESCRIPCIÓN DEL ESTADO DEL ARTE.. Prncpo del Inversor por Ancho de Pulsos PWM Para entender el prncpo de funconanúento de un generador PWM (Pulse Wde Modulaton), debemos analzar prevamente las señales que ntervenen en el generador. Una de las señales es del tpo senodal y puede ser generada a partr de un osclador. La otra señal es del tpo trangular. Estas señales se comparan para generar una onda cuadrada, de tal forma que la frecuenca de la señal trangular resulte por lo menos nueve veces mayor que la señal fundamental Qa señal senodal de 60 Hz). La salda del modulador PWM se puede conectar a una carga R ó RL y a un sstema monofásco compuesto de una carga RL en sere con una fuente de tensón alterna (onda senodal), con el propósto de analzar el comportanúento del módulo PWM. Por otro lado, algunas aplcacones ndustrales requeren controlar el voltaje de salda del nversor para observar las varacones de voltaje de entrada ce (corrente contnua), regular el voltaje del nversor, y consegur la relacón voltos/ frecuenca de control requerda. Exsten varas técncas para hacer varar la gananca del nversor (ver [7], [8]). El método mas efcaz de controlar dcha gananca (y por consguente, la salda de voltaje) es ncorporando la modulacón por ancho de pulsos (PWM) dentro del control del nversor. Las técncas de modulacón normalmente usadas son: ) Modulacón senodal por ancho de pulso smple. 2) Modulacón senodal por ancho de pulso múltple. 3) Modulacón senodal por ancho de pulso. 4) Modulacón senodal por ancho de pulso modfcada. 5) Desplazanúento del control de fase. Los sstemas de modulacón se pueden clasfcar en dos grupos: los realmentados y los no realmentados. Dentro del grupo de los realmentados t

11 3 podemos ctar a los sstemas de modulacón lneal y no lneal. Dentro de los no realmentados se encuentran los sstemas sguentes: de modulacón senodal, por elmnacón selectva de armóncos, de modulacón vectoral y óptmo. En este estudo usaremos la modulacón senodal por ancho de pulso smple, se revsa tambén las dos modaldades de este tpo de generacón PWM, la modulacón PWM con voltaje de conmutacón bpolar y la modulacón PWM con voltaje de conmutacón bpolar..2. Organzacón Básca de un PWM El concepto de potenca en un sstema de control por modulacón por ancho de pulso, está consttudo por tres partes que a contnuacón se detallan. ) Un generador de rampa, operando generalmente a una frecuenca constante. 2) Un comparador, para detectar el momento en que el voltaje de la rampa ha exceddo el voltaje de la señal de control. 3) Un dspostvo electrónco que conmute la potenca de carga en el momento en que el comparador detecte el punto crítco de la forma de onda de rampa. En la F gu ra., el comparador consste en un amplfcador operaconal, y el nterruptor electrónco es un transstor bpolar que opera en confguracón emsor común. + Vs generador rampa Al comparador R3 D R4 \A/v---;>t- dsp de carga transstor de conmutacon..:± -=-o Fgura.: Organzacón básca de un PWM.

12 4.3. Generador de Pulsos PWM Senodal La técnca para la generacón de pulsos PWM senodal consste en generar un tren de pulsos en funcón de una secuenca de pulsos que tengan una ampltud dferente y una frecuenca que el usuaro pueda selecconar. La Fgura.2 lustra un comparador con hstéress, donde V e es la ampltud de la onda senodal de entrada, f, es la frecuenca fundamental, V, es la ampltud de la onda trangular y J, es la frecuenca de la portadora. V e ) t, Comparador con Hsteress V ) fs ) /VV\ F gu ra.2: Comparador con hstéress..4. Modulacón PWM con Voltaje de Conmutacón Bpolar Aquí es usado el puente H de conmutadores; los nterruptores en dagonal (T A+, T 8 _) y (T A _, T 8+ ) de los dos brazos en F gur a.3 son conmutados como pares de nterruptores y 2 respectvamente. Con este tpo de conmutacón PWM, la onda de salda del brazo A es generada, comparando el voltaje de control y la onda tran gu lar como se muestra en la F gu ra..4 (a). La salda del brazo B del nversor es el negatvo de la salda del brazo A, por ejemplo, cuando T A+ está conectado y v Ao es gual a (V d I 2), T 8 _ está tambén conectado y V 80 = - V d I 2. Por tanto, y V Bo (t) = -V Ao (t) V O (t) = V Ao (t) - V Bo (t) = 2V Ao (t) La forma de onda de v O es mostrado en la Fgura.4. La ampltud de la componente fundamental (r ol ) se estable medante:

13 5 y En la Fgura.4 (b) se observa que el voltaje de salda v O varía entre - V d y V d. Esta es la razón por la cual este esquema es llamado PWM con voltaje bpolar. '" + V.. c l>, 2 Ha, -< A V d o " + ''u : ' 'A( -,.,.(. + VJ T A- IJ,t- 2 T a l)a- - Fgura.3: Dagrama del nversor monofásco onda completa. (ó) Fgura.4: Modulacón PWM con voltaje de conmutacón bpolar.

14 6.5. Modulacón PWM con Voltaje de Conmutacón Unpolar En el esquema PWM con voltaje unpolar, los nterruptores de los dos brazos, no son conmutados smultáneamente como en el esquema anteror. Aquí, los brazos A y B del nversor puente completo, son controlados separadamente comparando la onda trangular con V c ontrol y - V c ont ro l respectvamente. Como se muestra en la Fgura.5 (a), la comparacón de v c ont ro l con la onda trangular da como resultado las sguentes señales de control para los nterruptores de la perna A: y V control > V tr, V c ontrol < V tr, Para controlar los nterruptores del brazo B (- V c ontrol) es comparado con la msma onda trangular, lo cual da lo sguente: y (- V cont ro l) > Vtr, (- V control)< V,r, Debdo a la realmentacón de los dodos en ant.paralelo con los nterruptores, los voltajes menconados en las ecuacones anterores son ndependentes de la dreccón de la corrente de salda 0 Entonces se encuentra que hay cuatro combnacones posbles de nterruptores con sus respectvos voltajes: ) TA+, T 8 _ on : VAN = Vd, 2) TA_,T 8 + on: = VAN 0, 3) TA+ TB+ on: VAN =Vd, 4) TA_,T 8 _ on: V A N = O, VBN = 0; VBN =Vd; VBN = Vd; VBN = 0; V º= Vd V º =- Vd V =Ü o V =0 o Se puede observar que cuando los nterruptores supenores están cerrados, la salda de voltaje es cero. La corrente de salda crcula en un lazo a través de ( TA+, D 8 _) ó ( DA+, T 8 + ) dependendo de la dreccón de la corrente de salda. Durante este ntervalo, la corrente de entrada es cero. Una stuacón smlar ocurre cuando los nterruptores nferores están cerrados.

15 7 _,,. 'rltr 'rlcant0[ -7 cant0[ (a) n nlnno íl íl [, íl íl íl íl íl íl D DDDDD [ L íl íl íl íl,, ).,..,,,,,,..,, (6) (e).-. (V,,>,. - v. J (á) U o ---- n, _- -LI -Af_l l-.-, _._f,..,, V f J f,.! / 2mJ. ;lm _, ""': (2mr ) Ü!rt, lj _ (e) n <IZIIIQlt.COS uc f J. Fgura.5: Modulacón PWM con voltaje de conmutacón unpolar.

16 8 En este tpo de conmutacón PWM, cuando una conmutacón ocurre, el voltaje de salda vara entre O y + V d ó entre O y - V d. Por esta razón, este tpo de esquema PWM es llamado PWM con voltaje unpolar, como opuesto al bpolar (entre+ V d y V d ) descrto anterormente. Este esquema tene la ventaja de duplcar efectvamente la frecuenca de conmutacón tanto como la frecuenca de los armóncos de salda. La ventaja de duplcar la frecuenca de conmutacón aparece en el espectro de frecuencas del voltaje de salda, donde los armóncos más bajos (en el crcuto dealzado) aparecen como bandas laterales de dos veces la frecuenca de conmutacón. Es fácl entender esto s se escoge un índce de modulacón m I par ( m I debe ser mpar para un PWM bpolar) en un nversor monofásco. Los voltajes v AN y v BN son desfasados 80 de la frecuenca fundamental J;, con respecto al otro. Por tanto, los componentes armóncos de la frecuenca de conmutacón en v AN y v BN tenen la msma fase (</J AN - </J AN = t.m = O) debdo a que las formas de onda están desfasadas t radanes y m I es un número par. Esto resulta en la cancelacón de los componentes armóncos en el voltaje de salda V O = V AN - V BN. Además, las bandas laterales de los armóncos del voltaje de salda desaparecen. En forma smlar, los otros armóncos domnantes de dos veces la frecuenca de conmutacón se cancelan, mentras que las bandas laterales no..6. Relacones de Dseño del Modulador PWM Las relacones a emplear en el dseño del generador PWM, a partr del smulador Pspce, son las sguentes: Índce de Modulacón (m): r e ma = I en donde la ampltud máxma r e se puede modfcar a voluntad del usuaro. Relacón de Fase (m ): para la cual se cumple la relacón de dseño: Ís > 9 J. Gananca (\> 00): í>aol = 2mª De esta últma relacón podemos obtener la sguente expresón para el índce de modulacón:

17 9 ) m = ª E/2 Es necesaro remarcar que la onda senodal empleada debe ser de la forma:. 7. El Crcuto PWM La Fgura.6 muestra un generador de pulsos PWM snusodal compuesto por: una fuente de tensón controlada por tensón (con gananca de 06), un lmtador de (-0, O) voltos, un bloque de gananca de voltaje de.5, las entradas tensón trangular (carry) V, r y tensón de control V,;n El modulador genera en la salda (ouf) pulsos de + 5 voltos de ampltud y ancho modulada. La F gur a. 7 muestra al generador senodal PWM con una carga monofásca RL (R=5n, L = 0mH). Vamos a determnar la gananca de la fuente sabendo que E=300 V (DC). Para ello requermos confgurar la onda portadora PULSE. Este tema se trata a contnuacón. Formacón de la Onda PULSE La formacón de la onda PULSE, es confgurada en Pspce. Esta onda permte generar la señal trangular V, r de acuerdo a los parámetros de control que ntervenen para generar las señales. La Fgura.8 muestra en detalle la formacón característca de la onda PULSE, donde PER=T es el período, PW=l µses el ancho del pulso, TD=-T / 4 es el tempo de retardo, TR=TF=T /2 es el tempo de subda. GEMERADOR DE PULSOS PWM SINUSOIDAL Gananca Lmtador Tensón Controlada '"out ).., 0 o 9.9 Tensón control V "'\... J Tensón o trangular o Fgura.6: Generador de pulsos PWM senodal.

18 0 MODULACION SENOIDAL (PV\IM) CON CARGA RL 0 R L 2 0mH R3 9.9 Fgura. 7: Generador senodal PWM con carga RL. Funcón PULSE V a ,._ /,\ / \ / \ // \\ < TO )(TR ') ( TF PER Fgura.8: Formacón de la onda PULSE.

19 .8. Pruebas de Modulacón PWM Prmera Smulacón En esta smulacón, programaremos las fuentes V,,; (VPULSE) y V, n de manera que se genere una onda PWM que contenga una componente fundamental de frecuenca de 560 HZ, y smularemos para 3 cclos de la componente fundamental de tensón cuando m = 2 y m 0 = 0,8. El análss de los resultados se realza empleando las relacones de dseño defndas anterormente. En un prmer caso calculamos la frecuenca de conmutacón s- Tenemos como datos fttr,r = 5 V,f, = 60 Hz, y m = 2. Reemplazando valores en la ecuacón s= m, obtenemos: s= 2 X 50 = 050 Hz Con este valor verfcamos que la frecuenca s> 9f,. Empleando los valores del índce de modulacón y la ampltud de la onda trangular, podemos calcular la ampltud máxma de la onda senodal como s gu e: La F gur a.9 lustra el resultado de la smulacón de generacón de la señal PWM. En un segundo caso podemos calcular la frecuenca de conmutacón empleando la relacón s = mf,. Con m = 00 y con el msmo índce de modulacón del caso anteror, obtenemos: s = 00 X 50 = 5000 Hz Luego, el perodo resulta T 5 = 200 µs. Los resultados de este análss se muestran en la Fgura.0. Segunda Smulacón Para esta smulacón, la salda del crcuto de la F gur a.6, se conecta a una tensón de línea monofásca de V,; n = O voltos de valor pco y 60 Hz, con ángulo de fase cero (referenca cero). La fuente de tensón controlada representa un nversor monofásco con una carga RL, donde la nductanca L = O mh y la resstenca R =0.5n (ver F gur a.)

20 2 2UU, lu! rr ; r : \ -...P--tmr -- - ' D J -. ' ' T ' l f--: ' ' ' /. / U lj LJ-, c::rd-u : -2U-' ' a U(U2:+) ó U(GAIH:0UT) U(U:+) f'odulo-;on S.0:[[í!V'' 2UU r,-, o Ü SEL>>: -2UU-' , , T I Is 55 Ullls 55 2 ""5 a U(L:2.E:!I) Te Fgura.9: Saldas de las ondas V,,, V s n y la modulacón PWM para m f = 2 y m., =0.8. 2DU, , SEL»: L I,. -. r l,, DU-' J a U(U:+) U(U 2 :+) 2 D U , IIITTl-l Os a U(out) Te -2D U , , Fgura.0: Saldas de las ondas V,r, V sn y la modulacón PWM para m f = 00 y m., =0.8. En esta smulacón, mostrada en la Fgura.2, se nota la operacon como rectfcador del crcuto PWM, debdo a que se le nyecta una corrente I haca el nversor. Esto nfluye en el desfase del ángulo respecto a la tensón de línea.

21 3 GENERADOR PV\IM CONECTADO A LA TENSION DE LINEA MONOF ASICA L mH R3 9.9 V o R 0. l 0 Fgura.: Crcuto PWM conectado a una carga monofásca. 2UU f} A l,a f'/\ \ \ ) A FA ; \ \ - A I\ t\ A! V V v:v V V V V V V V V V V V V V v. v v - 2 U -' ' a U(U:+), U(U2:+) U(GAIH:0UT) 2HU _ :,:...-,. _.. _... :: : SEL»: r-. " uuu , r , Us 5s 05 5l5 20ms a U(U3:-) U(L:2.E:4) Tle Fgura.2: Smulacón del crcuto PWM conectado a una carga monofásca.

22 CAPÍTULO DESCRIPCIÓN GENERAL DEL SISTEMA 2.. Dagrama de Bloques del Sstema La dea fundamental en el presente estudo es generar una tensón alterna de 220 voltos y 60 Hz partendo, de la tensón contnua de una batería de 2 voltos contnuos. Es decr, dseñar un nversor de baja potenca para aplcacones doméstcas. La Fgura 2. muestra el dagrama de bloques del nversor de baja potenca. Podemos observar que los componentes de este nversor son: ) Generador senodal con sclador de cuarzo. 2) Modulador PWM. 3) Crcuto conmutador de potenca. 4) Fuente DC. 5) Fltro. 6) Transformador elevador de voltaje 7) Realmentacón 2.2. Revsón General del Sstema En esta seccón se revsa el sstema rnversor a como la ntegracón de los módulos que lo componen para luego revsar el detalle de la mplementacón de cada módulo con crcutos electróncos. Para el estudo del Sstema en su conjunto, se usa el programa de smulacón PS CAD. El modulo de generacón de frecuenca senodal se mplementa con un VCO que tene como parámetro de entrada la frecuenca de osclacón la que es fjada a 60Hz. Se genera una señal trangular de 20 KHz con el componente generador de onda; la modulacón PWM se consgue comparando la onda senodal con la señal trangular generada, esto se realza con el componente de "generador de pulsos nterpolados", éste, además de la comparacón de señales, genera el puso de dsparo para los dspostvos de conmutacón. Para los dspostvos de conmutacón se han usado

23 5 Generador Senodal con osclador de cuarzo Modulador PWM Fuente DC batería Crcuto Conmutador de Potenca :,! :, l '. ',. r, I'.: (: f.-' j f; Fltro Transformador elevador de Voltaje Onda Senodal 220V AC Fgura 2.: Dagrama de bloques del sstema nversor.

24 6 IGBT's, los que a su vez son controlados por el componente generador de pulsos nterpolador, se ha utlzado un condensador de 0,000uF en paralelo a la tensón DC, a fn de dsmnur el rudo eléctrco producdo por los conmutadores. En la etapa de fltro se utlza un arreglo LC cuya nductanca es de SmH y una capactanca de 33 uf en la seccón de dseño del fltro se revsará a detalle del fltro empleado. El transformador elevador de voltaje es un transformador de 48 a 220V de 0.SKV A. En la F gu ra 2.2 se muestra el nversor con todas sus etapas. Hacendo un equvalente al dagrama de bloques mostrado en la Fgura 2., el generador de señal senodal vene dado por el componente Osclador Controlado por Voltaje, que tene como parámetro de entrada el voltaje de control, el que es puesta al valor de 60, ndcando que el osclador genera una onda senodal de 60Hz. El módulo generador PWM, vene dado por un generador trangular y un comparador. El generador trangular está consttudo por el componente Generador Trangular de Frecuenca Varable, el que es seteado al valor 2000, y - a, lo que ndca, que genera una señal trangular alterna de 20K.Hz y una ampltud de KV pco. El comparador es consttudo por el arreglo de los componentes Generador de Pulsos de Conmutacón. Las dos señales, la senodal y la trangular, son comparadas y se genera los pulsos del dsparo de los conmutadores con el msmo componente Generador de Pulsos de Conmutacón. El conmutador de potenca vene dado por el arreglo en puente H consttudo por los IGBT's, y los dodos en antparalelo. Los IGBT's son conf gu rados para representar sus característcas eléctrcas, con una resstenca en ON de 0.0n y una resstenca en OFF de Mn; voltajes drecto e nverso de ruptura de x0 5 KV (que para lo s fnes del presente nforme se pueden consderar nfnto), y una capactanca parásta de µf; como son dspostvos reales de conmutacón, se dspone de los dodos en antparalelo Este arreglo se comporta como un puente H, ya tratado anterormente. El crcuto de realmentacón vene consttudo por los componentes Multplcador, Unón Sumador/Restador y el Controlador Proporconal Integrador (PI). El multplcador, multplca la señal senodal de generador senodal por un factor de tal manera que se tene un voltaje de magntud comparable a la salda del nversor, esta señal es comparada con la msma salda del nversor, y luego es pasada por el Controlador PI, almentando al modulo PWM.

25 7 Vsn SI Vcnt H L OFF Vcnt ON H L OFF CP... Vref. :- :.. : :. V v P D +. Vsn ven, VTr S4 ON H L OFF ON L OFF L F = 60.0 (Hz) (7) (7) de Em CP... Vrms r º& o Fgura 2.2: Inversor dseñado a nvel de componentes en el programa PS CAD.

26 8 Asmsmo se dspone de un modulo para hallar el valor rms de la tensón de salda del nversor, compuesto por el componente Valor Absoluto, Explorador de Frecuenca (FFT) y el Multplcador, lo que permte vsualza el voltaje rms equvalente de la salda del nversor. Nótese que la señal de salda del Explorador de Frecuencas es multplcada por el factor.5 a fn de obtener el voltaje rms Generador Senodal con Osclador de Cuarzo En necesaro que la señal senodal que ngrese al modulo PWM sea constante en frecuenca; los crcutos oscladores semconductores varían lgeramente su frecuenca de osclacón, esto debdo a causas como el aumento de la temperatura; por lo que se usa un osclador con crstal de cuarzo, cuya propedad prncpal es la establdad de la frecuenca de osclacón. Por requermento de dseño, es necesaro que la señal senodal entre rectfcada al modulo PWM, por lo que tambén se trata en el presente trabajo, los crcutos rectfcadores. El modulo generador senodal consta de 4 partes, el osclador de cuarzo, el dvsor de frecuenca, fltro pasabajos y el rectfcador de onda completa. La Fgura 2.3 muestra los componentes de este módulo. Osclador de Cuarzo T Q CLK FlpFlopT Dvsor de Frecuenca s2 + 2z VI/o + wo2 Fltro Pasabajos 60Hz N :I: o U) -8 o B E (l)ü -8 Rectfcador 6 onda completa sn dstorson Fgura 2.3: Componentes del módulo osclador senodal

27 9 El Osclador de Cuarzo El crstal de cuarzo es utlzado como componente de control de la frecuenca de crcutos oscladores convrtendo las vbracones mecáncas en voltajes eléctrcos a una frecuenca específca. Esto ocurre debdo al efecto pezoeléctrco. La pezoelectrcdad es electrcdad creada por una presón mecánca. En un materal pezoeléctrco, al aplcar una presón mecánca sobre un eje, dará como consecuenca la creacón de una carga eléctrca a lo largo de un eje ubcado en un ángulo recto respecto al de la aplcacón de la presón mecánca. En algunos materales, se encuentra que aplcando un campo eléctrco según un eje, produce una deformacón mecánca según otro eje ubcado a un ángulo recto respecto al prmero. Por las propedades mecáncas, eléctrcas, y químcas, el cuarzo es el materal más apropado para fabrcar dspostvos con frecuenca ben controlada. La establdad de la frecuenca se refere a la máxma desvacón en partes por mllón, en un determnado rango de temperatura. La desvacón esta tomada con referenca a la frecuenca medda a 25 C. El crcuto osclador presentado en la Fgura 2.4, se destaca por su sencllez y alta confabldad, debdo a la precsón del crstal. Entrega a su salda, una forma de onda senodal y es extremadamente estable; utlza un osclador a crstal de.25 MHz, con un transstor PNP. Vcc2V R K C 00pf -----r 0 BC568 R2..,. ----l -(--- 0nf SALIDA 22K D CRISTAL.8MHz R3 K Fgura 2.4: Crcuto osclador de cuarzo de.25mhz.

28 20 Dvsor de Frecuenca Este crcuto tene como señal de entrada la salda del crcuto osclador de cuarzo y va a dvdr la frecuenca de osclacón de tal manera que la salda sea una señal cuadrada de 60Hz con un dury rycle de 50% El crcuto dvsor de frecuenta tendrá como entrada un crcuto ntegrado schmth trgger, este es un buffer con hstéress, su salda será una señal de 20 Hz. Para garantzar el dury rycle de 50% requerdo para garantzar la smetría de la señal de salda, usamos un flp flop en arreglo "T" el que además dvde la frecuenca entre dos, lo que a la salda del crcuto se obtene una onda cuadrada smétrca de 60Hz. A contnuacón, se presenta el cálculo para el dvsor de frecuenca (D ): D = fcuano = l.25e6 = Hz 20 Entonces el dvsor de frecuenca será un contador que cuenta hasta 046. Estará conformado por un contador de 4 bts (un crcuto ntegrado o un arreglo de 4 flp flops en sere), y un arreglo de lógca dgtal para delmtar la cuenta, para esto se puede usar un arreglo con puertas lógcas dscretas o con un multplexor (MUX). A contnuacón se va a dseñar el crcuto lógco para la delmtacón del contador. Descomponemos el número 046 en bnaro: Q3 Q2 Qu Q0 Q9 Qa Q7 O O O O Luego, el crcuto delmtador de conteo será la funcón AND de Q3, Qu, Q7, Qs y, Q4 En la Fgura 2.5 se muestra el crcuto dvsor de frecuenca. Fltro Pasabajos El fltro pasabajos es el que permte elmnar los armóncos de la onda cuadrada y recuperar el armónco fundamental a 60Hz. Los fltros pasabajos pueden ser de prmer o segundo orden. Los de segundo orden reducen su amplfcacón 2 decbelos por octava que aumenta la frecuenca, o lo que es lo msmo, 40 decbelos por década. Como es mportante contar con una

29 2 OscXtal HC4020 QA - QO 5 QE 4 QF QG 3 CLKlH 2 QI 4 QJ 5 QK QL QM ::S N... R R2... vcc 4 M M ('l..-..-('j... CLK --'Vv\,------'.0n 0 0k 3 J K l j N f 60Hz cuadrada Q Q 2 3 Fgura 2.5: Dvsor de frecuenta de.25mhz a 60Hz. curva de respuesta lo más perfecta posble, en la que, la pendente sea elevada, se elge un fltro de cuarto orden. Para el dseño del fltro se consdera un crcuto ntegrado operaconal, como amplfcador selectvo de frecuenca, a base de nclur en su bucle de realmentacón redes reactvas consttudas por resstencas y condensadores realzando un fltro pasabajo de gananca uno. Para una mejora respuesta en la frecuenca de corte, se usa un fltro pasabajos Bessel de cuarto orden.; el dseño del fltro se realza empleando el programa ''P/ter Pro" de Texas Instrument. En la Fgura a contnuacón se muestra el fltro dseñado. C C2 470n USA 470n U6A V Vo oon _ l o o Fgura 2.6: Fltro de 60Hz pasabajos Bessel de cuarto orden.

30 22 R3 390k Fgura 2.7: Crcuto elmnador del componente DC en la señal. La salda señal senodal de la salda del fltro pasabajos tene el nconvenente de estar compuesta por un nvel DC, lo que es elmnado con el arreglo mostrado en la Fgura 2. 7, además, con la gananca del amplfcador operaconal, se cons gu e la tensón de.8v pco, usado en el modulador PWM. Crcuto Rectfcador La señal senodal generada anterormente, es necesano que ngrese rectfcada (rectfcacón de onda completa) al modulo PWN, esta rectfcacón debe ser sn perddas de tensón por lo que no puede realzarse con el arreglo de 4 dodos o 2 dodos, para ello se usa amplfcadores operaconales, que no dstorsonan la señal, como verá a contnuacón. Uno de los crcutos no lneales báscos y más útles es el rectfcador. Los rectfcadores operan sobre una señal de entrada de manera tal que dependen del s gn o de la tensón de entrada nstantánea. Se pueden dseñar ya sea para recortar la parte negatva (o postva) de la señal o para proporconar una salda que es el valor absoluto matemátco de la entrada (ver [2], [9]). Para entender mejor nuestro dseño del rectfcador tnversor de onda completa, partmos del crcuto rectfcador de meda onda mostrado en la Fgura 2.8. En esta Fgura vemos que el dodo puede operar en cualquera de sus dos estados: conduccón y no conduccón. El rectfcador se va a analzar como s fueran dos crcutos rectfcadores de meda onda. Asumendo que el amplfcador operaconal mostrado es deal, entonces: V =V =Ü - +

31 23 RF 02 V RA.----'\J\,\, R.At/RF -:-0 Vo Fgura 2.8: Rectfcador de meda onda. Para una tensón "V postva, la tensón de salda v del amplfcador resulta menor que cero. El dodo D2 conduce y por lo tanto se puede reemplazar por una pequeña resstenca R.. La resstenca nterna del dodo en conduccón se puede representar medante una resstenca pequeña de retroalmentacón. Con esto se consgue una dsmnucón en la gananca del amplfcador. Bajo esta condcón, el dodo D se presenta como un crcuto aberto: V =V =0 o - Por lo contraro, cuando v es postva, D2 no conduce (condcón apagado) y D s conduce (encenddo). Para el caso en que v es postva, D se reemplaza por una resstenca drecta y D2 por un crcuto aberto. Por lo tanto: Como V- = V+ = O, entonces: V =0 + v =v. -R - A Luego, la tensón de salda es: R. R V Vº=- l=- I R A

32 24 Esta últma ecuacón no depende de la tensón drecta del dodo Vy (tensón de umbral). Por lo tanto, la realmentacón srve para cancelar la tensón de encenddo (drecta) del dodo. Esto nos conduce a un mejor desempeño del dodo como rectfcador, ya que en esta stuacón el dodo se aproxma más a su modelo deal. El rectfcador de onda completa empleado en este estudo, produce una salda que es el valor absoluto o magntud, de la señal de entrada. Un método para consegur la rectfcacón de onda completa es utlzar dos rectfcadores de meda onda. Uno de ellos operando sobre la parte postva de la entrada y el segundo sobre la parte negatva. Las saldas luego se suman con las polardades apropadas. En la F gur a 2.9 se lustra dcha conf gur acón, en donde se observa que este método de rectfcacón de onda completa requere tres amplfcadores separados. Vcc+ Vcc+ _ 2V _ r- 2V _ O R2 Vcc- R 0k 02 Vcc- R7 0k Vn "70 "70 R4 20k -=-o -=-o R 00k Vsn rectfcada C0 -=-o Fgura 2.9: Rectfcador de onda completa.

33 Modulador PWM Aunque este tema será amplamente tratado en el proxtmo captulo, en esta seccón se da un prmer alcance sobre la modulacón por ancho de pulso. La modulacón por ancho de pulso (PWM) corresponde a la forma más básca de modulacón para la generacón de una onda snusodal a partr de una fuente DC. En la seccón.5 crcuto conmutador, se estuda algunos aspectos de la conmutacón en semconductores, como los MOSFET's de potenca, IGBT's, y la forma de mplementar la modulacón PWM. Exsten determnadas sucesones de pulsos, en las que ajustando, la cantdad de pulsos, la duracón de los pulsos, el espacamento entre pulsos, se puede obtener una onda, que nunca será una snusodal pura, ya que parte en su generacón de pulsos rectangulares. Sn embargo s se elgen adecuadamente los tres valores antes ctados, se puede consegur que los armóncos superores, hasta un número muy ben defndo se hagan práctcamente nulos o al menos desprecables. Cuanto mayor sea la cantdad de armóncos, que se desea sean desprecables o elmnados, se deberá tambén tomar mayor cantdad de pulsos rectangulares, es decr aumentar la frecuenca de comparacón. El modulador PWM consta prncpalmente de 3 componentes, la señal a ser modulada, para este estudo se trata de una señal senodal de 60Hz, la frecuenca de comparacón, que es una onda trangular cuya frecuenca f T debe ser mucho mayor a la frecuenca de la señal a modular, y por últmo el comparador: fr >> fsn En el presente trabajo, se ha elegdo la frecuenca f T de 20 KHz. Lo cual cumple con la condcón antes expuesta: Ír = 20.KHz >> Ísn En la Fgura 2. O se muestran los tres componentes de la modulacón PWM, en la Fgura 2. se observa la salda de la modulacón. Para efectos de vsualzacón de la señal modulada, la frecuenca de la señal trangular se ha fjado a 3KHz. La smulacón se ha realzado con el programa PS CAD.

34 26 _ O.O 0.9 /" ( 60.0 Ssen cow ar- (_ fv½i Str Q Fgura 2. O: Componentes del modulador PWM..05 spwm -O.OS "' cr !!: l... lllllh.. "',,,,"' ,,,... "'......,... "0.0: Fgura 2.: Señales en el modulador PWM.

35 27 Análss de los armóncos de la Señal Modulada Entonces se formula la pregunta que frecuenca de osclacón se debe elegr? Se efectúa un análss con el apoyo del programa PS CAD y su módulo FFT (Análss de Fourer). En térmnos generales, cuanto mayor sea frecuenca de la onda trangular /7, mejor será la relacón entra la armónca fundamental y las demás armóncas no deseadas; esto debdo a que el prmer grupo de armóncas no deseadas se encuentran alrededor de la frecuenca de la onda trangular (fr), el sguente en el múltplo de dos de la frecuenca trangular (2h) y así sucesvamente. Pero hay una lmtante, el crcuto conmutador, cuando la frecuenca de conmutacón llega a un nvel determnado, los dspostvos conmutadores empezan a presentar dstorsones en la onda conmutada, y perddas en el dspostvo. Como medda general se puede adoptar que para los dspostvos conmutadores de potenca, la frecuenca de conmutacón esté por debajo de MHz. A contnuacón se presenta la composcón de la armónca prncpal y secundaras para la frecuenca /r de 20KHz SF IC: _y ( ): y (2): _y (3): _y (4): 0.25 y(5): _y (6): _y (7): Fgura 2.2: Relacón de armóncas para frecuenca de 20KHz.

36 Crcuto Conmutador El crcuto conmutador es parte del amplfcador de potenca tal como se muestra en la F gu ra 2.3. Hemos menconado que módulo crcuto conmutador recbe dos señales. Un de ellas provenente del módulo elevador de tensón y la otra provene del modulador PWM. La prmera señal se usa como señal de almentacón y posee una ampltud de 350 voltos contnuos rzados, mentras que la segunda señal consttuye la señal de dsparo de los MOSFET's del módulo conmutador. El módulo conmutador debe generar una señal alterna cuadrada de 220 voltos de ampltud y 60 Hz. El crcuto de potenca está conformado por un sstema de dsparo y dos pares de conmutadores A y B, tal como se muestra en la F gu ra 2.4. El sstema de dsparo permte la conmutacón de cada par conmutador (A o B), de forma tal que no se produzcan cortocrcutos durante la conmutacón. Cuando el sstema de dsparo cerra el conmutador A y abre el B, el sentdo de la corrente s gu e la línea punteada, nducendo de esta forma la tensón+ V cc en la carga. Ahora s el sstema de dsparo abre el conmutador A y cerra el conmutador B, el sentdo de la corrente sgue la línea segmentada, nducendo así una tensón -V cc en la carga. Esto sgnfca que la carga recbe en sus bornes una tensón de onda cuadrada, cuyo valor vara entre V cc, con un consumo de corrente que depende de los conmutadores conformados por los transstores MOSFET's [0]. Del crcuto rectfcador '-,,, Generador PWM Amplfcador de potenca I' Salda A PWM JUUL -r,-----., ' Fltro SaldaB A la carga Fgura 2.3: Etapa de potenca.

37 29 Vcc Señal PWM SISTEMA DE DISPARO r- - J L - Al Bl. t- CARGA.l A2 B2 L - - Par conmutador A.. Al -+- A2 Par conmutador B = Bl -+- B2 \V 'V r - -., Fgura 2.4: Esquema general del sstema de dsparo y de conmutacón El Módulo Fltro El nversor dseñado presenta una salda del tpo senodal que puede ya ser usada en aplcacones doméstcas, debdo a que tales equpos cuentan con sstemas rectfcadores de tensón alterna. Por esta razón, el módulo fltro es opconal. Sn embargo, se dan algunos alcances. Cuando se requere reducr la dstorsón armónca de la tensón de salda de un nversor de frecuenca fja o poco varable, podemos emplear un fltro de salda que pernúta el paso de la onda fundamental e mpda los armóncos. Cas todos los fltros empleados para este propósto tenen conf gur acón tpo LC o alguna varacón de éste. En la Fgura 2.5 se presenta un esquema generalzado de este fltro. La rama sere mostrada, debe tener una mpedanca baja con respecto a la frecuenca de la onda fundamental, de modo que no haya pérdda de tensón, y alta mpedanca con respecto a la frecuenca de los armóncos, para que se absorba la tensón de armóncos generada por la mpedanca Z s, que en realdad es un crcuto puente. La rama paralela conformada por las mpedancas Z p y Z c, debe comportarse de forma opuesta. Es decr, presentar una mpedanca alta con respecto a la frecuenca de la onda fundamental, y baja mpedanca con respecto a la frecuenca de

38 30 Zs l u, '- '-../' Fltro Zp./ u,l Zc carga. Fgura 2.5: Fltro de salda confguracón L generalzada. los armóncos, con la fnaldad de cortocrcutar la corrente generada por los armóncos. En este tpo de fltro, la mpedanca Z p es de tpo nductvo, mentras la mpedanca Z.r es de tpo capactvo [7]. Se denomna atenuacón del fltro para una determnada frecuenca, a la relacón entre las tensones efcaces de salda y de entrada a dcha frecuenca. Esta atenuacón se formula como sgue: u (n) z P (n)i Z s (n)+z P (n) Atenuacon(n) = s = I I U e (n)... (2.) donde Z 5 (n) y Z p (n) dependen de la frecuenca consderada y por tanto, lo msmo le ocurre a la atenuacón, que suele ser mayor para frecuencas mas elevadas, debdo al comportamento nductvo de Z 5 (n) y capactvo de Z p (n). En el caso de tener una certa mpedanca de carga Z c (n), la atenuacón mejora porque la mpedanca equvalente resultante: sempre es menor que Z p (n). Para lustrar, en la Fgura 2.6 se presenta un fltro comúnmente usado, en el que se apreca la nclusón de una rama resonante L 3 C 3 sntonzada a la frecuenca trple de la fundamental, la cual cortocrcuta a dcho armónco. La atenuacón de un fltro de este tpo para un armónco de orden n esta dado por:

39 3 r Ls Cs (r-e-r--+-f !-, '>- L3 Lp : CD ( - l L _J L J Fltro tpo resonante sere paralelo Rama resonante Fgura 2.6: Fltro para onda rectangular de frecuenca fja y ancho varable. donde C p es el capactor de la rama paralela del fltro y C s el de la rama sere. Calculo del Fltro LC en el nversor Se escoge una nductanca L y un condensador C que en arreglo LC que hará de fltro. La carga es nductva compuesta por una resstenca Re y una nductanca Le De las ecuacones anterores, se tene: Reemplazando en (2.2) tenemos la mpedanca equvalente del lazo paralelo: Ahora se calcula la relacón de atenuacón, dada la ecuacón en (2.) U s (w) U e (w) = R e + wl e R e + w(l +L e )+ w 2 R e LC + w 3 LL e C

40 32 A contnuacón se presenta la respuesta del fltro LC de 5mH y 33uF para una carga RL de OOn y L de mh. Tabla.: Respuesta del fltro LC Armónco f UJU P Atenuacón 60 Hz % 2 20 Hz % Hz % Hz % KHz % KHz % KHz % KHz % El Transformador Elevador de Voltaje El transformador elevador de tensón, es de núcleo de ruerro, monofásco, destnado a uso domestco, de potenca 0.5KV A. El voltaje en el prmaro, esta en relacón con la tensón de la fuente DC y el dury rycle, como se muestra la seccón de modulacón PWM, el dury rycle máxmo en el crcuto conmutador de potenca es de 80%; entonces el voltaje en el prmaro es de: Entonces, la bobna del prmaro soporta 27 voltos rms, y la tensón en el secundaro es de 220 V rms. Luego, la relacón de vueltas entre prmaro y secundaro vene dada por: n = v = 27 = v Para calcular la corrente, se tene la relacón de potenca: P = V x I, o lo que es lo msmo, l= p = 0.5KVA =8.5A V 220

41 33 Luego, la corrente es de 20 amperos en el prmaro como máxmo. S se seleccona la nductanca en el prmaro de OmH, la nductanca en el secundaro vene dado por: ft=n de donde, L 2 = L n Como la nductanca en el prmaro es de O mh, la nductanca en el secundaro es de: L = I O mh 2 = mh Entonces la nductanca en el secundaro será de 650 mh Realmentacón El crcuto de realmentacón garantza que la tensón de salda del nversor permanezca constante, por consguente, las cargas que se conecten a él no afectan el voltaje de salda del 220V AC entregado. Esto se logra medante un bucle de realmentacón que toma el voltaje referencal de la tensón de salda y calculando su valor RMS, es comparado con un voltaje referencal, esta dferenca es amplfcada y multplcada con la señal del generador senodal e nyectada al generador PWM; de este modo s hay caída de tensón en el nversor, será amplfcada la señal senodal que n gr esa al generador PWM. A contnuacón se descrbe este lazo de realmentacón. La salda de 220V AC, es reducda medante un transformador de control a un voltaje nomnal de volto rms, el cual es manejable por el crcuto de control, ésta señal es rectfcada (hallando el valor absoluto), y luego nte gr ada, para después ser amplfcada, de tal manera que señal resultante (señalada como V RMS, q u;j, es un voltaje equvalente a la tensón rms de salda del nversor. La señal V RMS,quv se compara con una señal de voltaje rms de referenca (Vref RM s), la dferenca es amplfcada, para luego ser multplcada con la señal senodal rectfcada provenente del módulo generador senodal; resultando la señal V s ; n R u tcontror Entonces hasta el momento, se tene una señal senodal rectfcada, cuya ampltud es varada por una señal de control, de tal manera que s tensón de salda del nversor dsmnuye, la señal senodal rectfcada (V 5 ;,. R,,,c.,.,ro ) es amplfcada lgeramente.

42 34 Generador senodal. modulador PWM. amplfcador de potenca. elevador de voltaje o A la entrada delfwm gts CI Ql -... Q) - "D CI "D CI o [Multplcadorff +-- V. '; v.,..,í t t;.,..' _:.: )- h ;, t l'ntegradorr j VRMS equvalente. {., ( Transformador de control Fgura 2.7: Dagrama de Bloques del modulo Realmentacón. La señal senodal rectfcada (V s ;nre,,conrod es nyectada a la entrada del crcuto PWM; obtenendo de esta manera, el control de voltaje a bucle cerrado. La Fgura 2.7 muestra el dagrama de bloques del crcuto de realmentacón. A contnuacón se descrbe los componentes del crcuto de realmentacón. Transformador de Control. Consta de un transformador de baja potenca de 220V AC a V AC. La nductanca del prmaro es de 4840mH y la del secundaro es de O.lmH. Generador de voltaje V RMS,q.,;u Consta de un crcuto rectfcador de onda completa dseñado con amplfcadores operaconales, que obtene el valor absoluto de la señal de voltaje de salda del transformador de control, para luego pasar por el ntegrador, que es consttudo por un fltro pasabajos que tene una frecuenca de corte de Hz y una gananca dada, que al fnal del crcuto se obtene un voltaje rms equvalente a la tensón de salda del nversor. Amplfcador de la onda senodal rectfcada. La señal de referenca V ref RMs de magntud volto es comparada con la señal V RMs,q.,;u, la dferenca es multplcada con la señal senodal rectfcada (provenente del módulo generador senodal), para luego ser nyectada a la entrada del crcuto PWM, de esta manera es controlado cualquer error o caída de voltaje en el nversor. El crcuto de realmentacón completo es mostrado en la Fgura 2.8.

43 35 R 0 R7 C2 R3 R4 3.3k 27k 220V AC Transformador de control f X I Integrador Vre5V Rref R5 2 la entrada del PWK -... "\,- R8 9k Multplcador Vras x SsnRect Fgura 2.8: Crcuto de Realmentacón.

44 CAPÍTULO ANÁLISIS Y DISEÑO DE LA ETAPA DE POTENCIA 3.. El Crcuto Amplfcador PWM La etapa de potenca comprende el dseño del crcuto conmutador con su lógca de dsparo. El crcuto conmutador emplea MOSFET's de potenca cuyo códgo es IRFZ34. Estos MOSFET's están dspuestos en una conf gu racón tpo espejo (o conf gu racón H), que comúnmente se denomna crcuto amplfcador PWM, que a contnuacón se analza. El crcuto amplfcador de PWM se muestra en la Fgura 3. (ver [5], [6]) En dcha Fgura podemos observar la etapa amplfcadora de las entradas que provenen del generador de ondas PWM 0N o PWM osn Un conmutador amplfcador puede ser hecho cambando la frecuenca de conmutacón o el "dury cycle", o cambando ambas. El efecto neto buscado es que el promedo de voltaje de salda sea proporconal a la tensón de comando. El método mas común de un conmutador amplfcador es la modulacón por ancho de pulso PWM, aquí los dspostvos conmutadores conmutan a una frecuenca constante, dando como resultado la varacón de tensón de salda entre dos valores extremos. Por varacón del ancho de pulso o del dury cycle, el valor promedo de voltaje de salda puede ser cambado en forma proporconal a la tensón de comando. El conmutador amplfcador es de tpo "H" su prncpal ventaja, es que solo es necesara una fuente cuando se requera alta tensón; los dspostvos conmutadores son conmutados en pares generando una tensón bpolar a la salda. El amplfcador de tpo "H", se mplementa con dspostvos tpo MOSFET's y una fuente de almentacón de 350 voltos la que provene del módulo elevador de voltaje. Para dsparar a los MOSFET's es necesaro un crcuto adconal para que genere la tensón de dsparo en cada conmutado. En la F gu ra 3. se presenta el crcuto amplfcador de PWM.

45 37 El crcuto de dsparo Q 4 consste de dos crcutos de dsparo Q y Q 3, los cuales forman un amplfcador clase B. Este amplfcador se maneja por una compuerta NOT de colector aberto que, dependendo de la señal PWM osn, llega a saturar o a cortar a Q El propósto de Q 3 es absorber las correntes de fuga de Q w El crcuto de dsparo de Q 5 consste tambén en un amplfcador clase B, el cual está formado por Q 2 y Q 4 ; como la tensón de dsparo está dada por la dferenca de tensón entre los pnes Cate y Source de los MOSFET's, con almentacón V 5, entonces Q 2 se almenta por el condensador C, el cual tene como referenca a V 5 ; es decr, C juega el papel de fuente. El dodo D, con la fuente de 2 voltos, dan la tensón y corrente necesaras a C y al crcuto amplfcador. Q 2 srve para llevar a corte y a saturacón a Qú Q 2, a su vez, lleva a corte y saturacón a la señal PWM 0N, la cual pasa por dos compuertas NOT de colector aberto. Q 4 srve para absorber las correntes de fuga de Q 5 0 "" V24 I C5...I =-o... b A23 30,_ 02 RI 30 º' 0 4.7< =-o R2 500 R Fgura 3.: Crcuto amplfcador de PWM.

46 38 Característcas del Dspostvo Conmutador: Para la conmutacón, es usado el MOSFET de potenca de canal N, IRFZ44, fue especalmente dseñado para mnmzar la resstenca nterna proveyendo una superor performance para la conmutacón. A contnuacón nombramos sus prncpales característcas: 55V, 50A, resstenca nterna equvalente de 20mn, opera entre los -55 a 75 º C, tene un dodo nterno entre sus pnes dran (D) y source (S). En la Fgura 3.2 se muestra su esquema. D Fgura 3.2: Esquema del IRFZ44. s

47 CAPÍTULO IV ANÁLISIS Y DISEÑO DE LA ETAPA DE CONTROL 4.. Crcuto de Dsparo Para entender la lógca de dsparo que tene el módulo de control, debemos entender el prncpo de operacón de las señales en tempo dscreto. Esto es, nterpretar la nformacón que está contenda en secuencas de dígtos bnaros; es decr, la ocurrenca de cada bt en un momento específco. Por tanto, la sncronzacón es sumamente mportante, y las transcones se deben producr en momentos muy ben controlados. Muchos crcutos dgtales requeren que se genere un pulso de dsparo, el cual se utlza para controlar la sncronzacón de acuerdo a la sguente relacón: Por lo general, los pulsos de dsparo se generan ya sea en flanco de subda o de bajada, por medo de un tren de pulsos. En nuestro caso debemos de generar un tren de pulsos a partr de un crcuto RC, el cual se consttuye en la entrada al crcuto ntegrado LMl 524 (modulador/ demodulador), tal como muestra la Fgura 4.. Para nuestro dseño, debemos de consderar una frecuenca de 60 Hz cuyo período es 6. 7 ms. El pulso de dsparo a generar debe ser nferor 0. ms de ancho, y sólo debe estar presente durante los flancos negatvos del tren de pulsos del reloj de entrada. Clock Rr Cr 6 ose PV\M Latch Fgura 4.: Crcuto generador de pulsos de dsparo.

48 40 La constante de tempo r debe ser bastante pequeña para que el pulso de salda caga cas hasta cero en 0. ms. Para ello escogemos un condensador de O nf y una resstenca que este en el rango de 2 a O Kn. De este modo podemos elegr un valor de resstenca de 5 Kn, donde: r = Sx0 3 0x0-9 = 0,0Sms < 0,ms lo que es equvalente en tener una frecuenca de osclacón de 20 KHz 4.2. Crcuto Generador de la Señal PWM Del modulo generador senodal se tene una señal con forma de onda seno, y rectfcada dealmente (sn perddas), otorgando el valor absoluto de la onda senodal. Esta señal es nyectada al modulador PWM, que a su vez medante un arreglo lógco se generan dos señales desfasadas 80 º. En la Fgura 4.2 se muestra un prmer crcuto modulador PWM El crcuto mostrado en la Fgura 4.2, presenta un nconvenente, en la transcón de conmutacón entre las señales A y B, se pueden dsparar los dos dspostvos conmutadores a la vez, lo que ocasona en el mejor de los casos pérdda, y puede llegar hasta el deteroro o quemado de los dspostvos conmutadores. Vcc+ :) Vcc+ R5 00k r--:-o 2 L 2 "'"=-o Vcc+ 3 t RLoad, 0k -..;_-º 2 3 RLoad2 80k o _ _ -:-:::- o 0k R22 80k o Salda PWM Fgura 4.2: Crcuto modulador PWM básco.

49 4 Crcuto Generador de Tempo Muerto Para salvar el problema antes menconado se nserta un tempo muerto entre las conmutacones de las saldas A y B, esto se hace medante temporzadores y arreglos lógcos como se ve a contnuacón. La Fgura 4.3 muestra el crcuto generador de señales PWM y su señal negada PWM con tempo muerto. Se descrbe a contnuacón el funconamento del crcuto generador de PWM, empezando con el uso del crcuto ntegrado LM524 generador de PWM. Este ntegrado tene un pn comparador que recbe la señal de control como una entrada, para que esta señal de control se module, sendo su rango varable. Por ejemplo, rangos de 0.8 a 4.5 voltos. Un valor superor o nferor a este rango, ocasona que el crcuto ntegrado LM524 se sature. F } ose Vcc+ () <(I <( I uw R5 O VREF cé 5v f-f-o::o:: 00k > uo::ww -=-o Cll Cll SHUT uw 0 C OMP t-= , o e Rab -=-o R2 20k 2k, Vcc+ _2_,/,_, Vcc+,,.. fj _j r--.::- t-,:- ') Vcc+ Salda PWM f RLoad _j 0k l t' Rload2 ; 0k Vcc+ Vcc+ - Vcc+ - 7 r J :, -.. -t - -- v -v, Ct - 3 )) :, r -. _j_ Rt r n -'- _L r--::- 33k _l r--:- Temporzador C3 Rc :::- 00k --- C4. 0n -.. I ----,t::ªº.0n J_ -...,..., Fgura 4.3: Crcuto Generador de PWM con tempo muerto.

50 42 En la Fgura 4.3, se explca tambén la base de tempo que se controla por R,. y Cn trabajando a una frecuenca de aproxmadamente 20 KHz. En C A y Ca se forman dos señales pulso desfasadas 80 grados con dury cycle lmtado que vara de O a 45% ( conservando su lnealdad). La suma de estas señales da lugar a una señal PWM con dury cycle varable de O a 90%. El efecto de R 0b es sumar las señales de C A y Ca. El tempo de temporzacón vene dado por í =. RC. La Fgura 4.4 descrbe el dagrama de tempos de la generacón de PWM y PWM con tempo muerto, consderando los retardos de las compuertas lógcas utlzadas, donde:. La señal PWM;n orgnal se muestra en (a). 2. La señal nvertda PWM n se muestra en (b). 3. En (c) se muestra la generacón de pulsos de dsparo a partr de la señal senodal rectfcada 4. Como se apreca en (d), con un crcuto temporzador, se genera un retardo T 0 a partr del los pulsos entregados en (c). (a) l : (b) -t Ta PWM;. PWM;_ (e) t l ; > > > (e) Neg (f) PWMtm, l' r,:! ' n., l «-,.. l\í, " l! ll!hl J; > > P tm L._!: :..u...,... - ) Fgura 4.4: Dagrama de tempos del crcuto generador PWM con tempo muerto

51 43!, I!! I'.-. t!,t! H H ll' l u! U.UUl'lS '. ; :,, : ::: t: J /!: l : Fgura 4.5: Saldas del modulador PWMtm y PWM,m (Saldas A y B). 5. En (d), el ancho de pulso está controlado por R TR y C 7R. Sendo el tempo de temporzacón. R TR C lr 6. Con USA, utlzado como segudor y negador, nverte la señal: del temporzador; la salda resultante, normalmente se encuentra en uno, y en el ntervalo temporzado, conmuta a cero, esto para ser multplcado en la puerta ANO. (e) 7. En (f) se apreca la señal de control PWM,,,, con el tempo muerto T a. 8. Asmsmo, en (g) se observa la señal de control PWM,m con su respectvo tempo muerto T a. En la Fgura 4.5, se apreca el efecto del las señales PWM con tempo muerto, en el cambo de operacón entre las señales A y B, en el pulso de cambo, todos los conmutadores se encuentran apagados Característcas Internas del LM524 La Fgura 4.6 presenta al dspostvo LM524 que es crcuto ntegrado que contene toda una crcutería de control para un sumnstro de nversor de potenca. Está ncludo dentro de un paquete dual en línea de 6 pnes. La cápsula nterna

52 44 presenta un voltaje de referenca, un amplfcador del error, osclador, modulador demodulador de ancho de pulso, salda de conmutacón y crcutos de cerre. La representacón nterna del LM524, posee las sguentes característcas: ) Crcuto de control de potenca PWM. 2) Salda push pull 3) Línea y regulacón de carga de 0.2%. 4) % de varacón de temperatura máxma. 5) Corrente del sumnstro total menor que 0mA. 6) Operacón más allá de los 00 KHz. Valores Nomnales del LM524 Según los manuales de las referencas [3] y [4], podemos ndcar los valores nomnales más representatvos del LMt 524: ) Voltaje de entrada de 40 V. 2) Voltaje de referenca forzado de 6 V. 3) Corrente de referenca de 50 ma. 4) Corrente de salda de 00 ma. 5) Dspacón nterna de potenca a W. 6) Temperatura de operacón 0 º C a +25 º C Aplcacones del LM524 El crcuto modulador por ancho de pulso LM524 es amplamente usado en elementos de control y regulador de potenca swtchng. Entre sus prncpales aplcacones podemos ctar las sguentes: ) Servo de ntensdad constante. 2) Convertdor de temperatura por ancho de pulso. 3) Controlador de temperatura. 4) Control de velocdad de un motor. 5) Dseño de fuente conmutada.

53 45 REFERENCE +SVTO ALL V+ 5V INTERNAL CIRCUITS 5 REGULATOR 6 VREF +SV FLIP FLOP ose out +SV - +SV CT INV. INPUT +SV + SENSE NON-INV. INPUT -SENSE 0 SHUTDOWN COMPENSATION ANO COMPARATOR 0k0 - Fgura 4.6: Dagrama nterno del LM524.

54 CAPÍTULO V RESULTADOS DE SIMULACIÓN 5.. Dagrama de Bloques del Proceso de Smulacón El sstema nversor dseñado va a ser smulado por etapas. El dagrama de bloques de la F gur a 5. presenta el orden en que van a ser smuladas tales etapas, las cuales defnremos como: parte, parte 2 y parte 3. En la parte se smula la salda del generador senodal de cuarzo, en la parte 2 se smula las señales de salda del generador PWM, y en la parte 3 (F gu ra 5.4) se smula la salda del amplfcador de potenca; además se muestra la salda del nversor en su conjunto, la cual es una tensón senodal de 220V a 60Hz, esta salda puede sumnstrarse como tensón alterna requerda para las aplcacones doméstcas. Cabe menconar que las smulacones han sdo llevadas a cabo empleando el programa Oread Capture versón 9. y Pspce. Ejemplos lustratvos acerca de otras smulacones se pueden encontrar en la referenca []. PARTEl Generador Senodal PARTE2 Generador PWM PARTE3 Crcuto Conmutador Salda Senodal Fgura 5.: Esquema de smulacón.

55 Smulacón del Generador Senodal En la Fgura 5.2 (a), en su parte nferor, se puede aprecar el pulso de control que delmta el contador y por ende la dvsón de frecuencas, en la parte superor se muestra la dvsón de frecuencas. En la parte (b) de la Fgura 5.2, se resalta la generacón de la señal cuadrada a 60.0Hz., asmsmo la salda senodal de 60Hz, se observa tambén, un desfase entre las ondas senodales y cuadradas, esto propo del tpo de fltro usado para recuperar el armónco fundamental. ) ll'j 9 09 ) u-,,._, fj llll} ') \ '.I 0< ( ) IJI( (J.I _-- r- - --=- -.. r- - - :_: < ;=::= -_::. :... l. _..... :!. _. _ : := ' -.. _ r ,_.... t_ - :_:_ _j--::.... _ r IJI...r-., --, r 7..-,_ - :_ --, , - r--- r-, 7 r-7 r L - r--,, t f IJII l)f;, n: :r'nn nnnr-;nr ;:;nr,;nrj;; umr.rc.nnj,:nnrj:n n: :r.nn nrt n;- r,.r:-.n.nrnvnn.7nj:n:n.rc:-.. ru:;:. :! '.r. t. r l,ru 9mmrunrnn,JmtrN'.ll,r:u btm: uuw,t:r: nnu,ut;, nutrur:,,nn:.u n, A,p, : - u r,.uu,,rnr:, r.mnn,up..:.:nh c,r : : ) nnmnuruuuuutruru\lluihlllbhulnltiiudllfllllflllffuiiuiiiuiiiuirllllllluiiiuullllluuiiriuiuuiiiwwhijuiiiijlrrunlllwlnlluiiwiiijiuuuluijii l)l\ ;-r - -, - ; l : -: _ : _,:-_ r -:. :.., -J.Í ;,_ (. r t '.l ; ; - ; J'. -:-..!r.., :. :: l. J-l ;.. l,.. \ ,. f.llll- f. IU).,tll; v Up::t: ) lln ; u-.. lln. :'Un:, v l (I::' :: ) ll(lf (IO:I)) ' t. un -- - l. ' - - I <; - r '. Un.. l --. j _,stn t "''" / IJJ ',. ' V.. J j H lll. (\. Jt.,. íl, \:: Fgura 5.2: Señales en la generacón de onda senodal de 60Hz.

56 48 En la Fgura 5.3 se observa las dos saldas del modulo generador, que son usadas en modulador PWM, la señales senodales de 60Hz. En la parte superor (a) se muestra la señal senodal, y en la parte nferor (b) la señal senodal rectfcada, esto se logra empleando un arreglo de amplfcadores operaconales en dsposcón de rectfcador de doble onda; nótese que no hay caídas de tensón en la rectfcacón. Se observa además, en la señal senodal, el componente DC mostrado en la Fgura anteror ha sdo elmnado, esto con la asstenca de un condensador y un amplfcador operaconal, este últmo además es usado para darle la magntud de.8v pco, necesaro para el modulo generador PWM... ;.... :... : :-'. hu :,,/\; / l '\ / \. /,: / ' { \ ' \, \ - /"\ /'\ / \,. -\ I...! \.. -:. / ' \. I \. \ / / \ l !- ;. \-..,... \ r. r.,, llll,o \ / - \ /. \ / \ '/ \ / \ l.,;, Ul.,I T"" -- :...., l. \. /!.. \ \. \ /,. l -. \\ / \\ ',/ \ /" \,'.. \. j - -.,., P.. \ j. \_t./-:- '\:,,./.\...._/ ' -. ;!./.. \ \,,. u\ Os e ll(ll J N) Onc; llltns uun. :. í\lj -- -.,af,'r.!=:,-. ; f. r:t Fgura 5.3: Señal de salda del módulo generador senodal con crstal.

57 Smulacón del Modulador PWM En la smulacón mostrada en la Fgura 5.4, se aprecan las saldas del tren de pulsos de dsparo de las señales PWM con tempo muerto. En la parte superor (a) se observa que la salda es una onda PWM 0n (U3A:Y) mentras que la otra salda es la onda "negada,, PWM osn (U7 A:Y); estas señales están desfasadas en 90 º y tenen una frecuenca de 20 KHz. Tales señales venen a ser las suma de las señales de salda del modulador LM524, las cuales dan lugar a una señal PWM con duty cycle varable de O a 80%. En la parte nferor (b) se muestra el detalle de la conmutacón entre ambas señales con tempo muerto. ll t(i :'/ : _j-. : : I I', l, :,, ', ll/0 :\' Os ns lhn. 6n Hn:;.. n.! :. ll:llt:\' ' : ; : _. lllij_llllllulll_lluuulluijl l lll ll/:'i Jlllllll.lllUIJJUllllllJUllllllLUll --,., /. ll.' /',? _r.,on, n. 0Hn. -:, 8. r. \0n - n - '}.,\:. -. : >- Fgura 5.4: Salda del modulo generador PWM.

58 Smulacón en el Crcuto Conmutador En la Fgura 5.5 se observa la conmutacón en de las señales en conmutador de potenca, con un a carga resstva. En la parte superor (a) se apreca la conmutacón en la sucesón de dos combas, en la parte nferor (b) se muestra el detalle de conmutacón entre dos las dos combas que forman la señal senodal. La Fgura 5.6 muestra el espectro en frecuencas de la esta señal, como era de esperarse, la frecuenca fundamental se encuentra a 60Hz, mentras que el sguente grupo de armóncos aparecen a los 20KHz. -w-. ',U r- ', :. : :?n. n U( l :.Hl :?j ; u í Oll : ltlj:. - ll\v l - -( " j l '...:::- J....:.. '...':...:...!...,. '.. ' '.. :...-..': -..,....,.. 4n... (,n:-?. t.... " l.:... -,.'!-!l,!l! '.j '!!!::- t. ; r'; t,7 l rr-- ; : : : :! ' : ' ' ', :. " ' : ; : '.: : :: : [. :: f ' j J ' ' I t ' : ' :! '., ' ' ',,9 " ] l! : ;. :,: : ; +'. _:;.,.. :: H, U ll.. l J. l l. l.! '. J J...!. l l ' f r ' r [ n l lj, "" t I I J' : ',.., ' ' r l.., :!, I' J ' ' ' ' ' '' : ll I,!,,, r!,,, í?! : ]!!!! ::. ; :J.,. 'L.!.!,,,:.. JJ '!...,-:_J :...J L!.ll l:j :L::J:_ ;u /.lpu,. /.t,ltrr. -:,, : ( UI :.P.I : '.),,. nn-, '.I, IU l r.:.. Fgura 5.5: Salda del modulo generador PWM.

59 5 7) ílll,,u uu "------"0-----v-----'º.. e U(l<I :. :n : º t.'0,'.l(>ih:v &,,L-. 4+A --..J,.,._j,.,J., -,,.., :tol(h;, s,n:2 t'>lllat?. Hllf(lt:t touklll 'l{7 4.UUI.:"' H,lll(H? Fgura 5.6: Espectro de frecuencas de la salda del modulo generador PWM Smulacón de la Salda del Inversor En la smulacón de la salda del nversor, Fgura S. 7, se observa la tensón senodal generada con 60 Hz de frecuenca; puede ser usada drectamente para aplcacones doméstcas. Se apreca un tempo de transcón de aproxmadamente 0ms en el cual, el nversor se establza, luego de este tempo la salda es perfectamente senodal. Se ha pretenddo mostrar los resultados del dseño de los bloques y específcamente de los crcutos electróncos utlzados en las dferentes etapas usando software de smulacón como el Oread - Pspce y el PS CAD; este conjunto de smulacones de vsualzan con mayor detalle en el anexo B: Smulacón en Pspce.

60 Vout V seg Fgura 5.7: Smulacón de la tensón de salda del nversor.

61 CAPÍTULO VI EVALUACIÓN ECONÓMICA DEL PROYECTO 6.. Costo de los Componentes En este capítulo se especfcan los costos de los elementos actvos y pasvos del nversor dseñado, así como tambén los costos de dseño, construccón y montaje del sstema. El costo resultante parece a prmera vsta ser elevado comparado con los costos de nversores que exsten en el mercado y que desarrollan una potenca smlar en operacón. La explcacón, es que el costo calculado corresponde a un prototpo. Las tablas 6. y 6.2 ndcan la descrpcón, cantdad y costo por undad de cada uno de los componentes que se usan en el proyecto. Crcuto de Potenca: Tabla 6.: Crcuto de Potenca: Descrpcón y Costos. Descrpcón Valor Cant. S /. Costo unt. S /. Costo tot. Compuerta NOT 74HC Compuerta buffer 74HC3S Cond. Cerámco 22uF Cond. Alterna 33uF Dodos N4S Inductanca SmH Mosfet de pot. IRFZ Resstenca 30 n Resstenca S00n Resstenca 2Kn Resstenca 3,3Kn Resstenca 4,7 Kn Transstor NPN 2N o.so 3.00 Transstor PNP 2N390S 4 o.so 2.00 Transformador 27/

62 54 Crcuto de Control: Tabla 6.2: Crcuto de Control: Descrpcón y Costos. Descrpcón Valor Cant. S /. Costo unt S/. Costo tot. Comparador LM Comp. ANO trp 74HC Comp. NOT 74HC Cond. Cerámco l0pf 3 o.so.50 Cond. Cerámco l00pf o.so o.so Cond. Cerámco lnf o.so o.so Cond. Cerámco l0nf 3 o.so.50 Cond. Cerámco l00nf 2 o.so.00 Cond. Cerámco 470nF 2 o.so.00 Condensador lüuf Condensador 33uF Contador Bn. 74HC Dodo N Flp Flop JK 74HC Gen. PWM LM Mult. señal AD Opamp TL082/ Ose. cuarzo.25mhz Resstenca ln Resstenca Kn Resstenca 2Kn Resstenca 2,2 Kn Resstenca 3Kn Resstenca 3,3 Kn Resstenca 3,7 Kn Resstenca 4Kn Resstenca SKn Resstenca 9Kn Resstenca l0kn Resstenca 3Kn Resstenca 20Kn Resstenca 22Kn Resstenca 27Kn Resstenca 33Kn Resstenca 80Kn Resstenca 00 Kn Resstenca 390Kn Potencómetro 2Kn Transformador 220/ Transstor PNP 2N3905 o.so o.so

63 SS 6.2. Costos de Dseño y Construccón El costo de mplementacón consdera lo sguente: a) El proceso de elaboracón de las tarjetas en las etapas de control y de potenca: S/ b) Trabajos de smulacón en Oread: S/ e) Elaboracón del nforme técnco: S/ d) Otros: S/ El costo total resulta de la suma de los costos anterores: S/

64 CAPÍTULO VII CONCLUSIONES Para tener un control mas precso, es necesano tener un ancho de banda lo sufcentemente grande para que permta manejar mejor la salda de la señal PWM, prncpalmente su tempo muerto. El uso del crcuto de conmutacón en base a MOSFET's, además de ser efcente en el manejo del tempo muerto de la señal de salda PWM, tambén va a ser efcente respecto al uso de los SCR's (Semconductor Control Rectfers), ya que la lógca de dsparo para los SCR's es mas compleja con respecto a la lógca que manejan los MOSFET's. Esto es debdo a que en un SCR encenddo, su corrente es grande y requere de crcutos adconales para su correcto funconamento. Por estos consderándoos, es que hemos preferdo usar MOSFET's en lugar de SCR's. En la actualdad se encuentran dspostvos MOSFET de alto desempeño, permtendo manejar altas correntes con poca resstvdad nterna. Para el presente trabajo se ha utlzado un MOSFET de medana potenca llegando a manejar correntes de 50 A, asmsmo, se ha tomado en cuenta para la seleccón del dspostvo de conmutacón, la dsposcón y los precos en el mercado. Asmsmo, tenendo en cuenta el msmo prncpo, el dseño del fltro en la parte de potenca contempla una nductanca de 5mH y una capactanca de 33uF, que son relatvamente económcas y de fácl adquscón. La metodología empleada para las smulacones, responde al dagrama de bloques de la Fgura 5., en donde el sstema dseñado se ha dvddo en tres partes con propóstos de smulacón. La smulacón de la parte, es bastante nteresante, dado que muestra que es posble generar una muy buena señal de 60 Hz senodal. El fltro pasabajos de cuarto orden con amplfcador operaconal, fue sufcente para recuperar la armónca fundamental de la onda cuadrada. La smulacón de la parte 2 demuestra que el dseño del crcuto PWM ha sdo efcente porque nos permte manejar un ancho de banda sufcentemente grande.

65 57 Esto a la vez pemúte manejar sn dfcultad la lógca de dsparo (ver f gur as 5.4, 5.5 y 5.6). En esencal observar que en la construccón de un puente H con transstores bpolares, se presenta un crcuto de dsparo mas sencllo, pero asmusmo, se encuentra mayores pérddas por cadas de tensón entre colector y emsor; en contraste, se apreca caídas de tensón de menos de medo volto entre el drenador y fuente para los MOSFET de potenca, pero el crcuto de dsparo es un poco mas complejo (como se apreca en la Fgura 3.), debdo a que estos dspostvos de conmutacón, en sus presentacones de conmutadores de potenca, en su mayoría son úncamente de canal N. Es mportante recalcar, que la salda obtenda por el nversor dseñado (Fgura 5.6) puede ser usado por aparatos doméstcos que poseen rectfcadores de tensón estándares. La funcón prncpal de estos rectfcadores es obtener nveles de tensón contnua. Para esto, sólo necestan en la entrada una señal alterna de cualquer forma, pero osclando a 60 Hz. La salda del nversor dseñado cumple el requermento de ser una señal alterna, adecuada para rectfcacón. Con esto se puede afrmar, que el objetvo de este estudo se ha cumpldo satsfactoramente. Adconalmente, se ha añaddo un fltro para recuperar la armónca fundamental de la tensón de salda entregando de esta maneja una tensón de 220V senodal y de 60.0Hz. El fltro propuesto en el presente trabajo aprovecha la nductanca natural del transformador elevador de tensón; un prmer trabajo sería el dseñar un mejor fltro de salda para recuperar la onda fundamental de 220 voltos y 60 Hz. La nformacón técnca del caso [7] recomenda un fltro en L con dos ramas tanque LC resonantes. Tambén sería nteresante construr el nversor dseñado para ver su operatvdad en el mundo real. El nversor dseñado, es adecuado para aplcacones doméstcas que reqweren potencas de hasta 500 W aproxmadamente. Inversores de mayor potenca, requeren la seleccón adecuada de los MOSFET's y del crcuto generador de PWM. Entonces, otro trabajo consste en replantear el dseño del nversor propuesto en este estudo, con el objeto de que puedan manejarse mayores nveles de potenca (por ejemplo, para uso ndustral). En el presente trabajo de ha dseñado el nversor cuya etapa de control ha sdo mplementada con crcutos ntegrados analógcos y dgtales dscretos, un trabajo a

66 58 futuro sería, crear, usando los msmo prncpos ndcados en el presente nforme, un nversor cuyo crcuto de control este dseñado con mcrocontroladores, los que gracas a su versatldad en la programacón, nterfaces y conversores análogo dgtales, reducen la mplementacón a la creacón del programa de control, lo que reduce nmensamente el hardware en las etapas de censado y control.

67 ANEXO A Crcuto y Smulacón en PS CAD

68 .,. El sn CP... VIII :. :. : FT l L) 7 (7) F 60.0 (Hz) de Em CP... Vrms z: \(' I\ (\ (\!\ /\ '!\ /' (\ /\ -n vvvv J" J'v " v\j j, /Vv/\J\Jf\M/\/\/\/\/\.. P º \j.. oo.;.so.j.00 -!fü[iiiiiiiiiiiii v v v s º 'º Y2!.t. f J V \) V V V \) V V \J rn r, {\ f\ (\ /" I\ (\ (\ \ /\ : f vvvvvvvvv f v o.o;s o.oso o.o;s :s o.so 0.s o;oo,. : s...-+., n 'f' _J I -..,. o + ")(! -:r- ' o

69 ANEXO B Smulacón en Pspce

70 Ul9:QN Ul9:QM Ul9:QL Ul9:QK Ul 9 :QJ Ul9:QI Ul9:QH Ul9:QG Ul9:QF Ul9:QE: Ul9:QD ov 2 ' 7 ' ' ' l. ' I ' 6. ov ' l t!.' '! j J _.. L_. _...,_ _, t _ -...-, ll -t ' I!! j! QV '! ' ' l : ; I.,_ , ,.,.,_..._,..._ - - _ V -..! j I T -r ,-, ; ',, J _.. L.J -- J ;. l ; : ' ; t [: -t - : _:= = _'::t:= =f :r=t =J-- tt :::-: - - L ,_ ; r : ' : - -- : =: - :-! -:-e=: -r t-,. + Os l.oms 2.0ms 3.0ms 4.0ms 5.0ms 6.0ms 7.0ms 8.0ms v V(C3:l) Fgura B.: Modulo Generador Senodal. Dvsor de frecuencas ' N

71 s. ov T t "----,---t- 7\" 4. ov ' f- / l!. ;. t : '! !!.! l I!. j! ' J f. t! : - : r r -,. : '. f ; ' - _ _J_ I ' I O :,!! - T T ; '. : ;,_ - ' \,!' '! ' : \! r : ', l, -r / ; !. t --- r -. '"t _ :-... º r _.,., ; \ - -.!.-. r ;, _.,!,,N. ; : \ L, \. /! -, V l. ov r-- :-;;: 0V Os!Oms 20ms 30ms 40ms SOms 60ms 70ms 80ms 90ms loúms V(U20A:QI, V(C2:2) Feura B.2: Modulo Generador Senodal. Señales de 60Hz cuadrada v senodal. O, vj

72 T ! l! 2 O V f ' =r- - t t+--+- J --j--f---\----+ \ ,...--l-L-- t t H----f--l l-w J ºV -r- -G tr-rlr-t\t ' =ft# f+ ttµ t tjj=fl l. -o. ov -. ov' J--_ r l----- \ --t-+----''- l , \ ---- t l ,_.,,_,_ --- t._'., -- -, '-. ov ' ,-- r , : -- j/ j -- - /; l'. \.. f-4 t' / \. r --"7""-\ ,.. ; J - \ , \ ' ,tt \--j "' '-_:---+-<> t ! I J : : _ \ ' ' ' -4 ; ' _ t V ----, -----=-: -- -.t e _: :, T ov; '.. : - :.:r,:===:: = : =+=t=-_ --r t: = === + l=: =: = J=-l ==l-::.. :. ' ' ' ' ' ' Os 20ms 40ms '50ms 80ms looms 20ms u V(RrLoad:2),. V (VSIN) '.. '! ' ; '!. Fgura B.3: Modulo Generador Senodal. Señal senodal y rectfcada. '

73 PWM PWM Ílll!"""""'""'!! Os!! ' : ; '!! ;!!! '! j!!! ' ' ' ' ;! '!!!! ;! '! : ' ' :! '!!! l ; 5ms loms 5ms,...!! '!!!!!! ' ; ' 20ms '! Fgura B.4: Modulo Generador Senodal. Tren de pulsos PWM ' \J

74 PWM PWM -,- -,------! I ' r : n J'JLJ :! :!!! '!. ; ' ' ;! ; l \!!. '.!!! : ' '!! \ :!. ' ' j '! 7.073ms 7.500ms 8.000ms 8.500ms 9.000ms ; 9.500ms Fgura B.5: Modulo Generador Senodal. Vsta del tren de pulsos PWM (amplacón) '

75 "" -----U-.,. JOOffl - '..... I! I'..mfríl'" :,;,!! l:l' OV H+l+t+HI : ' ' ', - +-H rl ' : - - 8V +-H+HI--H+H+II-H--IHHHHH u m ffl 6V, f!hhhhl IHl--Hál H--HH-l+H-H+I-H-H-HH-l+H-H+H+H-H-l+H+HHI-HI-HH-ll t----t t--t-f-t-lt-h -f-l!t ' :! ml f; ; j l. t!- L...,.... H I l I' IH l4-ll mll-r-ihh+l,l+h-i-hhh+h-hh+h=:: ::::::lljumooür-!44h' I. tt!., r --r : H :tffh lhlttffttlhhlfl ltl lttttttttlttt ltl ttttttttttt ttttttffl ll lllll ll lt! HHHHflHHHttlHtlHtlllHHl thhtlff-lltlthfhh++h-h+t V. ]OOH ov.! B.23ms 9.0Oms u V(Ul:ERR+' O.0Oms V(U4A:Y) +-r- 2Vlt.. lthltlllttt!hllltltllhhhhll l.! IJ! r I,.. jt! I : ---ll--l- t-l- --U-U--U-I-W.J.--U-l-+---l-U--l- t., l J".l.:IIDllll ll :I,l ' ; '.Lll...u_µ.u_LJ..OOms 2.OOms 3. OOms HKHIH---H-IH llff-lhhh\ttttl l j Jl..!!.rn 4.OOms -JH H H- H-H-fHI-H-IH l+f H íl J..:!I íl 5.OOms! t j ',-----r!,..l... t- _, ! 6. Oüms 6. 89ms Fgrura B.6: Modulacón PWM de una comba de la onda senodal. ' -.J

76 PWM PWM 5V ov sv l l:lto '!:!!,! ' l ',...!..., I ,F j ,L l ! ' \ -'-- l : njut ' """""'" "' ; _j -! : ' ' : '!! f! : j, f ! t----lf '! !---' ---- ;, j ,_, f t ' :!,-. --! O -= : -- o T ; I :_ : t ; :-:. r -.:; r; t :_ =.;::; :-=r=-:. ;-;:-!::= (j : 7. ' ' J l ' , -----, t :_, ' -:cc.. r-- -- :-_ ) : [_C b-! -/ -- 0V"'S::: t----t o,_;-====== ' -sv Os u V(Vs :+,Vsl:+\ : -+ : _ - :- -=:::_:r: :- _::::l== =:=:_-tt=j-=+--:_'. r.r Sms V!U6A:A) loms 5ms 20ms 25ms Fgura B.7: Señales de entrada y de salda en el modulador PWM. ' 00

77 : e.. "... ::.. uuhhtl -': , u- : :-.:: : ::.: - :-:-:..= - : :':" ::.: F gu n B.8: 5muhcón en el crcuto conmutador.

78 70 ül E o o Ú) v) r - - L > u,,..; > o... U) > o,..; 'fl 5> v,,...,, > º u -,,-

79 .. ov. ' -++t: =. =r H- tt [ é! : ' '! ' t-t - t=j!- +--t--r - : _ - - -, ,!. t r-! : _j l- j V " '- " I : ' : 0V 20KH: :: V ( RL:, RL: 2 \ ( H:. : '!!, :! L --t-r ,..\. -=r: -+!!I. ' l : ; : 2V - - -l. - : -,.... '! ' : -:- - 40KH:, J ;- E-OKH.:. ' j SOKH:. ', +-t+t_= ! j. - '! :!... J I!.. -. lookh: 20<:H: 4OKH: 60KH::: 8OKH: 2OOKH::: Fgura B.9: Salda del conmutador de potenca, respuesta en frecuenca... -J -

80 .'95Vr,...! : ' ' :.... ' J.._... ; l ' ' : : \ : :! :. : : '! l ooov. ' ' I \ \. : : : \ / \ ' ' : : ' : d, \. : : \ :.,, : : ]/ r r \ - :., ' ---:- - :. - -J--- -, L \ -;-,--\' --7- t -- l ;_\ -- --[' - -- J J ' \... ' - -'- f ! ' ov ' ' : \ \ : - t -, :! \... L JI - ---t, - [. Y j- -' - r ;\ J.. -. \.J L... - j : - : ' -,,, ' t , \ , /- - : - \ r - '. -. ooov _ LL L _ j : J \: -y.. \ / '! \ -. f '! /... L tj ---' : L. ' ' -....' \ /',. ' ;... ' \ : \[. J ;- -- e ; , '" ' '-,..... ' : : ',,, :,!, ;r \ : : Y/ r \---- T t-,-t----r \ ---: \ '.. \! /.... -;----r--r-----\- ---r --: rr - r\, I: : : '. : : \ : ' \ \! í!! '! \! l 7 ',! : / : '! ' :! \ ' /, I. ' ' :, : :. : :... ;.! -l.733v+ -" : : ' '---..:- --, ' 2.50s 2.Sls 2. )2 s 2. S3s J '.'(R'.2:. \/R7:2),. 2.S4:::; V('.'RMS) F gur a B. O: Smulacón del crcuto de realmentacón, se apreca 2. s r :,s v n del transformador controlador, V sn I y V RMS ( volto). -.J N

81 ANEXO C Crcutos Electróncos

82 e, C2 470n 470n VCC us U4.o,n o o o R3 ;l>--+--<vsln Vslnde)) :.,.-, P.; o lle Modulo nerador Senodal con Crstal de Cuarzo,ze A ate: Oocumanl Number,.o SundoLMay 0,.2005_ h t of IV,.o -.J "'"

83 o Vcc+ Vcc+ r-:::. 2V -=-o R 0k m. Vcc- e V!n V!n rect!cada -=-o -=-o -=-o R 00k -=-o llo zo A ate: Rectfcador de onda completa con opams Document Number.0 Sunday May !>e-'.t.2! ev!.o -...J \Jl

84 o Vcc+ o Rab 2k.!:: dj? :;. jvcc. R5 00k -=-o RLoad e Vdc - 2V T Vcc- -=-o _0k -=-o Rload2 VsnRect R22 80k ;,,; Vsn C3 Vec+ ))Trg.0ln ))Tm -=-o r o;r..; :. :.:<!:-::. : tle za A : Modulador PWM Oocument Number.0 Moy23.TOOS hoet C/,.0 -..J '

85 o VQO 0 V24 R8 R23 02 y 30 r ' º Q2N2222 R22 -=-o..._.i_ C5 M:I r -=-o 22 IRfZM Rloed Mr- 500 IAl'Z.U.,J M2. 7 r--"" -=-o IAFZ.U IRFZ.U 30 - Q9 02N2907 2< C2 I 3. l e R2 loo R ON OFF crcuto amplfcador de potenca Docurnont NumMr.0 Sunday May 0 ""' 0 ev.0

86 Rl o o D FU J:t>-+---(Vrm Rperdda TXcontrol >7 t:r, : ;.::. '='"o -:-o Tr.::.:\:;f. r., J. je r::.r.t:c!. -:-o Y. o b:.<:-;t.:.cb Vrof5V «> l '.a e-:-..:-a-b de: r; : 2k Vcc- R6 9k ::. :rl:rl'.;!' : r, ;".! ;r,;z,:-,- tle Crcuto de Realmentac0n IZO A :ate. Oocument Number.0 Sundav. M.v os 200s h t º' ov 0 --.J (:,:)