II CONGRESO VENEZOLANO DE REDES Y ENERGÍA ELÉCTRICA Comité Nacional Venezolano Junio 2009 D1-88 DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UNA PLATAFORMA UNIVERSAL DE ELECTRÓNICA DE POTENCIA J. H. Vivas G. Bergna J. Clavier J. Melían A. De Gouveia Universidad Simón Bolívar RESUMEN El presente trabajo describe las etapas necesarias para el diseño y construcción de una plataforma universal para el apoyo de la enseñanza de la electrónica de potencia en la Universidad Simón Bolívar. Dicha plataforma consta en su etapa de potencia de 16 IGBT s, 16 Diodos y 4 Capacitores construídos de forma modular para permitir la implementación de cualquier esquema básico de conversión monofásico o trifásico de electrónica de potencia: AC-DC (Rectificadores con y sin control), DC-DC (Choppers de 1 y 2 cuadrantes), DC-AC (Inversores) y AC-AC (Reguladores de voltaje). La etapa de medición la conforma una tarjeta de adquisición de datos con capacidad de ejecución de programas externos al computador (FPGA) y sensores de efecto hall de votaje y corriente. Toda la estructura fue montada sobre un gabinete de fácil movilidad. El control de los semiconductores de potencia se realizó a través de un computador y el software comercial Labview, el cual permite la supervisión, monitorización y control independiente de cada uno de los componentes presentes en la plataforma desarrollada. Los niveles máximos de voltaje y corriente alcanzados con la plataforma son del orden de 300 voltios y 30 amperios. PALABRAS-CLAVE Electrónica de potencia, docencia, convertidores estáticos. jhvivas@usb.ve
INTRODUCCION La electrónica de potencia constituye una de las áreas de mayor interés dentro de la ingeniería eléctrica debido a que se deben manejar conceptos de muchas disciplinas : teoría de sistemas de control, sistemas de potencia, modelación de máquinas eléctricas, electrónica analógica, electrónica digital, control de máquinas eléctricas, manejo de procesadores, entre otras. Es por esta razón que se plantea la el diseño y construcción de una plataforma universal de electrónica de potencia, la cual pretende reproducir los esquemas dictados en la teória para terminar de afianzar los conocimientos, y mostrar al estudiante la operación real de los convertidores. En este trabajo se describen las etapas que comprenden la plataforma desarrollada, y además se presentan mediciones de diversos montajes prácticos que abarcan lo cuatro tipos de convertidores existentes en la literatura: dc-dc, ac-dc, dc-ac y ac-ac; con el fin de demostrar la versatilidad y operatividad de esta plataforma como herramienta básica de enseñanza. DESCRIPCION DE LA PLATAFORMA 16 Igbt s independientes Capacitores Fuente DC Monitor PC Circuito ST Bornera NI fpga Sensor de Voltaje Sensor de Corriente Control y Adquisición Fig. 1.a. Foto frontal de la Plataforma Fig. 1.b. Esquema simplificado de la Plataforma Tal como se muestra en la figura Figura 1.b, la plataforma ofrece al usuario la posibilidad de controlar 16 semiconductores de apagado y encendido controlado (IGBT) de manera independiente. ETAPA DE POTENCIA Semiconductores: Los IGBT s fueron fabricados por la casa International Rectifier. Sus valores máximos de corriente y voltaje son 45 Amperios y 1200V respectivamente. Además reguiere una señal de 15 Voltios positivos entre la compuerta y el emisor para conmutar. Se armaron 4 módulos de disipadores metálicos de 4 IGBT s cada uno. Capacitores : 4 capacitores electrolíticos de 10000 microfaradios y 250 voltios nominales se encuentran dispuestos detrás de la bornera principal soportados por una estructura mecánica. Su conexión es opcional y de fácil acceso. ETAPA DE ADECUACIÓN DE SEÑALES Circuito Schmith-Trigger : Este circuito eleva el valor físico del uno lógico emitido por la bornera NI de 3.3 a 5 V. Además, el circuito tiene un caracter negador. 2
Driver : Existen ocho tarjetas cuya función es la conversión de la señal digital comprendida entre 0 y 5 V a una señal analógica de -10 y +15 V (el valor negativo sustituye el apagado tradicional de 0 V para que la descarga de la capacitancia parásita de cada IGBT sea más rápida). El circuito realiza esta transformación de manera aislada pues consta de un optoacoplador incluido en la entrada (M57959) y alimenta de manera aislada a cada IGBT a través de la fuente (NMA1215SC). ETAPA DE MEDICION Sensores de efecto hall : Actualmente existen instalados, un sensor de voltaje y uno de corriente. ETAPA DE CONTROL PCI 7831R : Es la tarjeta FPGA utilizada dada la disponibilidad en el laboratorio. Se utilizá por su elevada rapidez. Bornera NI : Adquisición de las señales enviadas desde/hacia la tarjeta FPGA para su posterior procesamiento. HERRAMIENTAS COMPUTACIONALES LabVIEW : es un lenguaje de programación gráfico para crear programas que imitan instrumentos físicos, denominados instrumentos virtuales o VI. La fluye de nodo a nodo en el diagrama de bloque, donde el flujo determina el orden de los VI. Se usan dos niveles de programación para operar la plataforma: alto nivel (LabVIEW propiamente dicho) y bajo nivel (FPGA). La manera de programar en ambos niveles es muy similar. La diferencia rádica en que FPGA permite la ejecución del programa a tiempo real, pues descarga el programa de la memoria de la computadora hasta la tarjeta y lo ejecuta desde la misma. Fig. 2 Ejemplo de programación LabVIEW ESQUEMAS DE CONVERSION IMPLEMENTADOS El objetivo de esta sección, es demostrar mediante sencillos esquemas de conversión la versatilidad del equipo construido y el gran potencial a nivel de docencia, pues con solo realizar la conexión adecuada entre la plataforma y los elementos a suplir (maquinas, resistencias, inductancias, etc.) puede simularse una gran cantidad de aplicaciones. Convertidor AC - DC El montaje propuesto se ilustra en la figura 3, en donde la plataforma se utiliza como puente entre el lado de comando y el lado de los elementos a suplir. Tratándose de un esquema de conversión no controlado, no es necesaria la conmutación alguna de los IGBT`s, por lo que solo actuarán los diodos de descarga libre conectados como puente monofásico o trifásico, según sea el caso. Las figuras 4a, 4b y 4c muestran las graficas de voltaje y corriente tanto en el lado AC como DC tanto para el caso monofásico como trifásico. 3
Fig. 3 Montaje convertidor AC-DC Fig. 4.a Rectificador Monofásico lado AC Fig. 4.b Rectificador Monofásico lado DC Fig. 4.c Rectificador Trifásico Voltaje DC y Corriente por la línea AC Convertidor DC - DC La configuración mostrada en la figura 5 corresponde al Chopper de un solo cuadrante. El objetivo de este montaje puede ser por ejemplo, controlar una máquina de corriente continua (MCC) a lazo abierto desde la interfaz gráfica de la computadora, y analizar los transitorios en el arranque y parada. En las figuras 6.a y 6. b se presentan algunos ejemplos de la tensión y corriente de salida del Chopper. 4
Duty Cycle f Equivalente Sistema Auto TRX PWM M Puente Puente Rectificador Bus DC Rectificador Plataforma Universal Fig. 5 Montaje Convertidor DC-DC Fig. 6.a Chopper al 20% de conducción (V e I) Fig. 6.b Chopper al 70% de conducción (V e I) Se puede observar la disminución y el aumento del ancho de plso y el efecto que esto tiene en el voltaje promedio y en consecuencia, en la velocidad de la MCC. Convertidor DC - AC mf ma f Equivalente Sistema Auto TRX PWM M PC Osciloscopio Puente Rectificador Bus DC Puente Inversor Plataforma Universal Fig. 7 Diagrama de Inversor monofásico En este caso se plantea el esquema mostrado en la figura 7. Este consta de un puente rectificador en paralelo con un capacitor para obtener el Bus DC. En el presente trabajo se usaron únicamente dos tipos de modulaciones, las cuales fueron PWM bipolar (+Vdc, -Vdc) y el PWM unipolar(+vdc, 0, -Vdc). Ambas se formaron comparando una señal moduladora de forma sinusoidal contra la señal portadora de 5
forma triangular. Del montaje realizado se adquirieron las siguientes gráficas mostradas en las figuras 8.a, 8.b, 8.c y 8.d para ambos casos de estudio, tanto en estado estacionario como en arranque. Fig. 8.a Regímen permanente de la corriente y voltaje para el Inversor 1f con control Unipolar Fig. 8.b Regímen transitorio de V e I para el arranque del motor 1f con control Unipolar Fig. 8.c Regímen permanente de la corriente y voltaje para el Inversor 1f con control Bipolar Fig. 8.d Regímen transitorio de V e I para el arranque del motor 1f con control Bipolar En estos montajes se puede tener control sobre la frecuencia de la onda moduladora, el indice de modulación (relación entre la onda moduladora y la portadora), y la frecuencia de la portadora. Con esto podrá controlar la velocidad, torque y armonicos de la máquina. Es posible programar que el inversor funcione como un variador de velocidad, sensando en todo momento el voltaje aplicado a la máquina y manteniendo la relación entre el voltaje y la frecuencia constante. También puede implementarse un esquema para controlar una máquina de inducción trifásica, la cual es ampliamente utilizada en la industria. En este caso, se estará al mando de 6 IGBT s destinados a formar tres brazos (uno por fase). Esto se logra creando tres ondas moduladoras sinusoidales desfasadas 120 grados entre sí. En la figura 10 se observa la forma de onda de voltaje medida entre la fase a y el neutro del motor. 6
Fig. 10. Tensión línea neutro en bornes del motor operado con Inversor 3f Los convertidores DC-AC planteados hasta ahora tienen como finalidad el control de una máquina eléctrica. Sin embargo, es posible utilizar la plataforma para simular un compensador estático dinámico multinivel que permite ejercer control sobre los flujos de potencia de un sistema conectado a la red como el mostrado en la figura 12. El objetivo es compensar el voltaje de la carga conectada, puesto que tiende a disminuir si la barra es muy inductiva ó a aumentar si es muy capacitiva. Tal como se observa en la figura 12.a, el esquema utiliza 16 IGBT s para implementar 4 inversores monofásicos que operan de manera independiente. Cada módulo estará conectado en paralelo con uno de los capacitores disponibles. De esta manera la salida total de tensión corresponde a la suma de los 4 inversores. Puentes Inversores en Cascada Frecuencia de la red y Fase del voltaje de carga Voltaje y corriente de carga Sensores de medición Plataforma Universal Filtro Inductivo 16 Pulsos Sincronizados a la frecuencia de la red Barra Infinita Linea Carga Ángulo de disparo Indice de modulación en amplitud Índice de modulación en frecuencia Fig.12.a Esquema Multinivel Fig.12.b Compensador Estàtico Multinivel de Potencia Reactiva 7
Fig.13.a V de Compensador Estàtico Multinivel Fig.13.b V e I de Compensador Estàtico Multinivel de Potencia Reactiva con desfasaje de 0º de Potencia Reactiva con desfasaje de 8º En la figura 13.a, se muestra la tensión obtenida con un desfasaje de 0 grados (no hay corriente). En la figura 13.b se muestra el voltaje y corriente con un desfasaje de 8 grados. Nótese el comportamiento capacitivo de la corriente y el aumento de tensión. CONCLUSIONES Se demostró, a través de esquemas de conversión con distintos niveles de dificultad, la versatilidad de la plataforma para labores de docencia e investigación. La programación se realiza en un lenguaje de programación amigable y al alcance de estudiantes tanto de pregrado como de postgrado; no obstante, el diseño del convertidor se pensó para que el software y/ó el módulo de generación de las señales pueda ser fácilmente sustituibles por otro sistema de control, como por ejemplo un DSP. La plataforma fue completamente desarrollada, desde su concepción hasta su ejecución, en el laboratorio de sistemas de potencia de la Universidad Simón Bolívar, lo cuál demuestra que es posible desarrollar dispositivos de apoyo a la docencia en el país. BIBLIOGRAFÍA [1] Williams, J., Cale, J., Benavides, N., Wooldridge, J., Koenig, A., Tichenor, J., Pekarek, S., Versatile hardware and software tools for educating students in power electronics, IEEE Transactions on education, Vol. 47, No. 4, November 2004. [2] Giménez, M., Guzmán, V., Restrepo, J., Aller, J., Viola, J., Bueno, A., PLATAFORMA: A Useful tool for high level education, research and development, Proceedings on the 7 th international Caribbean conference on devices circuits and systems, Mexico, Apr 28 30, 2008. [3] Pineda, F., Diseño, construcción y operación de un chopper dos cuadrantes utilizando técnicas de control digital, Tesis de pregrado, Universidad Simón Bolívar, Sartenejas, Venezuela, Diciembre de 2004. [4] Venkateshwarlu, S., Muni, B., Rajkumar, D., Praveen, J., Direct power control strategies for multilevel inverter based custom power devices, Proceedings of world academy of science, engineering and technology, volume 29, may 2008. [5] Giménez, M., Guzmán, V., Restrepo, J., Aller, J., Bueno, A., Viola, J., Millán, A., Cabello, A., PLATAFORMA: Development of an integrated dynamic test system for power electronics systems performance determination Universidad Simón Bolívar, Valle de Sartenejas, Edo. Miranda, Caracas, Venezuela. 8
[6] Figueira, G., Generación de un PWM e implementación del control a lazo abierto utilizando un dispositivo FPGA y el entorno LabVIEW, Universidad Simón Bolívar, Laboratorio de ingeniería eléctrica, Sartenejas, junio 2008. [7] National Instruments, Using DMA FIFO to develop high speed data acquisition. http://zone.ni.com/devzone/cda/tut/p/id/4534, fecha de visita: septiembre 2008. 9