Convertidores CD-CA

Encuentro de Investigación en IE, 17—18 Marzo, 2005
Encuentro de Investigación en Ingeniería Eléctrica
Zacatecas, Zac, Marzo 17 —18, 2005
Convertidores CD-CA
Abel Vázquez Ramos,
Pablo Salas Castro,
José Jimmy Jaime Rodríguez,
Isaac Campos Cantón,
Facultad de Ciencias,
Electrónica de Potencia, UASLP, San Luis Potosí CP-78000.
TEL: (4 44) 8 26 23 17 Fax (444) 8 26 23 18, correos-e: [email protected],
[email protected], [email protected] , [email protected]
Resumen — El siguiente trabajo comprende la teoría, el estudio y la simulación de los
convertidores monofásicos en medio puente, convertidores monofásicos en puente,
convertidores trifásicos. Utilizando transistores como dispositivos de conmutación, con carga
R o RL para los circuitos monofásicos y con carga conectada en delta o en estrella para los
convertidores trifásicos que emplean modos de conducción a 1800 .
Abstract — The following document includes the theory, the study and the simulation of the singlephase converters in the half bridge, single-phase converters in bridge, three-phase converters. Using
transistors like commutation devices, with load R or RL for the single-phase circuits and with load
connected in delta or star for the three-phase converters that use ways of conduction to 1800.
Palabras clave — Convertidores, Monofásicos, Trifásicos .
I. INTRODUCCIÓN
L
os convertidores de cd a ca se conocen como inversores. La función de un inversor es
cambiar un voltaje de entrada en cd a un voltaje simétrico de salida en ca, con la magnitud y
frecuencia deseadas.
En los inversores ideales, las formas de onda del voltaje de salida deberían ser senoidales.
Sin embargo, en los inversores reales no son senoidales y contienen ciertas armónicas.
El uso
de los inversores es muy común en aplicaciones industriales tales (como la propulsión de motores
de ca de velocidad variable, la calefacción por inducción, las fuentes de respaldo y las de poder,
alimentaciones ininterrumpibles de potencia). La entrada puede ser una batería, una celda de
combustible, una celda solar u otra fuente de cd. Las salidas monofásicas típicas son (1) 120V a 60
Hz, (2) 220V a 50 Hz y (3) 115V a 400Hz. Para sistemas trifásicos de alta potencia, las salidas
típicas son (1) 220/380 V a 50 Hz, (2) 120/208 V a 60 Hz y (3) 115/200 V a 400 Hz.
Los inversores se pueden clasificar básicamente en dos tipos: (1) inversores monofásicos y (2)
inversores trifásicos. Cada tipo puede utilizar dispositivos de activación y desactivación controlada
(es decir BJT, MOSFET, IGBT, MCT, SIT, GTO) o tiristores de conmutación forzada.
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Para la simulación de los circuitos se utilizará el software de simulación PSPICE versión 9.1.
Para una mejor descripción del circuito, seguiremos estos pasos:
1) Primero, debemos hacer sobre el papel un esquema del circuito que queremos simular. El
esquema ha de estar completamente definido con los valores de todos sus componentes.
2) Luego daremos a cada nodo del circuito un nombre (que generalmente será un número), sin tener
que seguir ningún orden especial. Solamente hay que tener en cuenta que el nodo
correspondiente a tierra será siempre el número cero.
3) También debemos darle a cada elemento del circuito un nombre o un número (sin tener en
cuenta los números de los nodos), que nos servirá para hacer referencia a dicho elemento.
4) Por último realizaremos la descripción del circuito conforme a las normas de PSPICE.
Veamos un ejemplo de descripción de un circuito como el que se muestra en la Figura 1.
Figura 1. Circuito rectificador.
En el esquema, todos los componentes tienen su correspondiente nombre y valor. Igualmente, se
puede apreciar que se han numerado los nodos de conexión entre los elementos.
La descripción de este circuito sería la mostrada a continuación:
CIRCUITO RECTIFICADOR.
* TENSIÓN DE ENTRADA, COLOCADA ENTRE LOS NODOS 1 Y TIERRA, QUE GENERA UNA
* SEÑAL SINUSOIDAL CON UNA TENSIÓN DE OFFSET NULA, UNA AMPLITUD DE 12 VOLTIOS
* DE PICO Y UNA FRECUENCIA DE 50Hz
VENT 1 0 SIN(OV 12V 50HZ)
* ELEMENTOS ACTIVOS DEL CIRCUITO
* DIODO RECTIFICADOR 1N4148, COLOCADO ENTRE LOS NODOS 1 Y 2 (EN EL ORDEN
* ÁNODO, CÁTODO)
DR 1 2 D1N4148; DIODO RECTIFICADOR
* ELEMENTOS PASIVOS DEL CIRCUITO
* CONDENSADOR CF COLOCADO ENTRE EL NODO 2 Y MASA, DE UN VALOR DE 3300uF
CF 2 0 3300UF;
CONDENSADOR DE FILTRO
* BOBINA LF COLOCADA ENTRE LOS NODOS 2 Y 3, DE UN VALOR DE 50mH
LF 2 3 50MH;
BOBINA DE FILTRO
* RESISTENCIA RL COLOCADA ENTRE EL NODO 3 Y MASA, DE UN VALOR DE 8 OHM
RL 3 0 8 OHM;
RESISTENCIA DE CARGA
* FINAL DEL CIRCUITO
.END
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II. PRINCIPIO DE OPERACION
A. Inversores monofásicos de medio puente
El circuito inversor está formado por dos pulsadores. Como se muestra en la Figura 2.
La simulación se realizó utilizando un periodo T = 20ms con lo cual nos da una frecuencia de 50Hz.
Cuando el transistor Q1 está activo durante el tiempo T/2, el voltaje instantáneo a través de la carga
Vo es Vs/2. Si sólo el transistor Q2 está activo durante un tiempo T/2, aparece el voltaje –Vs/2 a
través de la carga. Q1 y Q2 no deben estar activos simultáneamente. Este inversor se conoce como
inversor de medio puente.
Para Vs =12V, con un periodo T = 20ms y R =10 Ω.
Figura 2. Inversor monofásico de medio puente.
El voltaje suministrado es de 12V de cd entre las terminales del nodo cero y el nodo superior, los
diodos se utilizan como dispositivos de protección. Para la generación de los pulsos se emplea una
fuente de V-PULSE para cada transistor, así, mientras el pulso de medio ciclo de duración activa un
transistor el otro transistor debe estar inactivo hasta el inicio del otro medio ciclo. La carga se
conecta entre el punto intermedio de Vs y del otro extremo entre los diodos.
Para medir el voltaje en la carga se utiliza la marca de voltaje diferencial entre las terminales de la
resistencia.
El significado de los parámetros del programa de simulación PSPICE para los elementos del
circuito se dan en la Tabla 1 y los valores de estos parámetros para el inversor monofásico de medio
puente son en este caso los que aparecen en la Tabla 2.
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PARÁMETRO
(V1)
(V2)
(td)
(tr)
(tf)
(pw)
(per)
SIGNIFICADO
Tensión inicial en voltios.
Tensión del pulso en voltios.
Tiempo de retardo.
Tiempo de subida.
Tiempo de bajada.
Duración del pulso (estado alto).
Periodo de la señal.
Tabla 1. Significado de los parámetros.
NOMBRE
FUENTE DE CD
DIODOS
RESISTENCIA
PULSO 1
PULSO 2
TRANSISTORES
VALOR O PARAMETROS
DC=12, AC=0
--10 Ω
V1=0,V2=10,TD=1us,TR=0,TF=0,PW=10ms,PER=20ms
V1=0,V2=10,TD=10ms,TR=0,TF=0,PW=10ms,PER=20ms
---
PSPICE ID
VDC
D1N914
R
VPULSE
VPULSE
Q2N2222
Tabla 2. Valores y parámetros.
Antes de iniciar la simulación se debe guardar el diagrama circuito y del menú analisis de PSPICE
Schematics se elige la opción set up y se activan las casillas de temperatura y transitorio. Con los
valores que se muestran en la Tabla 3.
Temperatura
Transitorio
27
Print step 1us
Final time 40ms
Tabla 3. Valor de parámetros.
Print step es el tiempo de inicio de la simulación.
Final time es el tiempo del término de la simulación.
El voltaje rms de salida se puede encontrar a partir de
2
Vo =
To
To / 2
0
Vs 2
dt
4
1/ 2
=
Vs
2
(1)
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Para una carga resistiva las salidas de voltaje y de corriente son las que se muestran en las Figuras 3
y 4 respectivamente.
Para una carga inductiva:
La corriente de carga no puede cambiar inmediatamente con el voltaje de salida. Si Q1 se desactiva
en T/2, la corriente de carga seguirá fluyendo a través de D2, hasta que la corriente llegue a cero. En
forma similar, cuando Q2 se desactiva en t = T, la corriente de la carga fluye a través de D1, la
carga y la mitad superior de la fuente de cd.
Para una carga puramente inductiva, un transistor conduce únicamente durante T/2 (es decir 90 o ).
Dependiendo del factor de potencia de la carga, el periodo de conducción de un transistor varía
desde 90 hasta 180 o .
La corriente para una carga puramente inductiva es la que se muestra en la Figura 5.
A.1 Simulación
10V
0V
-10V
0s
20ms
40ms
60ms
80ms
100ms
60ms
80ms
100ms
V(R4:2,R4:1)
Time
Figura 3. Voltaje que varía entre Vs/2 y – Vs/2.
1.0A
0A
-1.0A
0s
20ms
40ms
I(R5)
Time
Figura 4. Corriente de carga con R=10Ω.
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2.0A
0A
-2.0A
0s
20ms
40ms
60ms
80ms
100ms
I(L2)
Time
Figura 5. Corriente de la carga con una carga altamente inductiva.
B. Inversores monofásicos en puente.
Un inversor monofásico en puente está formado por cuatro pulsadores. Como se muestra en la
Figura 6. Cuando los transistores Q1 y Q2 se activan simultáneamente, el voltaje de entrada Vs
aparece a través de la carga. Si los transistores Q3 y Q4 se activan al mismo tiempo, el voltaje a
través de la carga se invierte, y adquiere el valor –Vs.
Figura 6. Inversor monofásico en puente.
Los valores de los parámetros de PSPICE para el inversor monofásico en puente utilizados en esta
ocasión para la simulación son los que se muestran en la Tabla 4. La salida de voltaje en la carga,
en este caso una carga resistiva es la que se muestra en la Figura 7.
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NOMBRE
FUENTE DE CD
DIODOS
RESISTENCIA
TRANSISTORES
PULSO 1
PULSO 2
VALOR O PARAMETRO
DC = 12, AC = 0
IS=0.00221p, BV=1800
10 Ω
--V1=0,V2=10,TD=1us,TR=0,TF=0,PW=10ms,PER=20ms
V1=0,V2=10,TD=10ms,TR=0,TF=0,PW=10ms,PER=20ms
PSPICE ID
VDC
D1N914
R
Q2N2222
VPULSE
VPULSE
Tabla 4. Valores de los parámetros de PSPICE.
El voltaje rms de salida se puede determinar a partir de
2
Vo=
T
T /2
0
1/ 2
2
Vs dt
= Vs
(2)
B.1 Simulación.
10V
0V
-10V
0s
20ms
40ms
60ms
80ms
100ms
V(R4:1,R4:2)
Time
Figura 7. Formas de onda para una carga resistiva.
C. Inversores trifásicos.
Se puede obtener una salida trifásica a partir de una configuración de seis transistores y seis diodos,
como se muestra en la Figura 8, a los transistores se les aplica una señal de control con conducción
a 180 o .
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CONDUCCION A 180O.
Cada transistor conducirá durante 180o. Tres transistores se mantienen activos durante cada instante
de tiempo. Cuando el transistor Q1 está activado, la terminal a se conecta con la terminal positiva
del voltaje de entrada. Cuando se activa el transistor Q4, la terminal a se lleva a la terminal negativa
de la fuente de cd. En cada ciclo existen seis modos de operación, cuya duración es de 60o. Los
transistores se numeran según su secuencia de excitación (por ejemplo 123, 234, 345, 456, 561 y
612). El valor y el ancho de los pulsos para activar los transistores para la conducción a 180O son
los que se dan en la Tabla 5.
La carga puede conectarse en delta o en estrella como se muestra en la Figura 9.
Existen tres modos de operación en un medio ciclo, los circuitos equivalentes aparecen en la Figura
10 para el caso de una carga conectada en estrella.
Figura 8. Inversor trifásico.
NOMRE
PULSO1
PULSO2
PULSO3
PULSO4
PULSO5
PULSO6
VALOR O PARAMETRO
V1=0,V2=10,TD=0ms,TR=0,TF=0,PW=10ms,PER=20ms
V1=0,V2=10,TD=3.33ms,TR=0,TF=0,PW=10ms,PER=20ms
V1=0,V2=10,TD=6.66ms,TR=0,TF=0,PW=10ms,PER=20ms
V1=0,V2=10,TD=9.99ms,TR=0,TF=0,PW=10ms,PER=20ms
V1=0,V2=10,TD=13.32ms,TR=0,TF=0,PW=10ms,PER=20ms
V1=0,V2=10,TD=16.65ms,TR=0,TF=0,PW=10ms,PER=20ms
Tabla 5. Pulsos para conducción a 180O.
PSPICE ID
V-VPULSE1
V-VPULSE2
V-VPULSE3
V-VPULSE4
V-VPULSE5
V-VPULSE6
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a) Conectado en delta.
b) Conectado en estrella.
Figura 9. Carga conectada en delta / estrella.
Modo 1
Modo 2
Modo 3
Figura 10. Circuitos equivalentes.
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El voltaje rms línea a línea se puede determinar a partir de
2
VL =
2π
2π / 3
0
1/ 2
2
Vs d ( wt )
=
2
Vs = 0.8165Vs
3
(3)
Los voltajes de fase son los que se muestran en la Figura 11 para una carga conectada en estrella y
el voltaje de fase Van es el que aparece en la Figura 12 con una carga resistiva, se muestra además
la corriente de fase ia que fluye a través de una carga inductiva en la Figura 13.
C.1 Simulación.
20V
0V
SEL>>
-20V
V(R3:1,R3:2)
20V
0V
-20V
V(R4:2,R5:2)
20V
0V
-20V
0s
5ms
V(R5:1,R4:1)
10ms
15ms
20ms
Time
Figura 11.Voltajes de fase para la conducción a 180o.
25ms
30ms
35ms
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20V
0V
-20V
0s
10ms
V(R29:1,R29:2)
20ms
30ms
40ms
50ms
60ms
40ms
50ms
60ms
Time
Figura 12. Voltaje Van.
2.0A
0A
-2.0A
0s
10ms
20ms
30ms
I(R3)
Time
Figura 13.Corriente ia.
III. CONCLUSIONES Y TRABAJO A FUTURO
Los dispositivos usados como interruptores requieren de cierto tiempo para que logren encenderse
completamente y también de cierto tiempo para su apagado.
Para esta simulación se utilizaron transistores como dispositivos de conmutación, pero se pueden
utilizar IGBT, MOSFET, MCT, GTO o tiristores, para la práctica de este trabajo se utilizarán
MOSFET.
Se tiene en plan poner en marcha un inversor monofásico, para el cual la modulación del ancho de
los pulsos será controlada por el integrado TL 494 que funciona a una frecuencia fija controlable
por una resistencia y un capacitor para generar una señal diente de sierra que se compara con una
señal senoidal para generar el ancho de los pulsos que tendrán la misma frecuencia que la señal
diente de sierra.
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REFERENCIAS
[1] John Q. Attla, ” Pspice and Matlab for electronics and integrated approach,” CRC Press, pp 3 17, 31 37, 43 58 y 99 105.
[2] Muhammad H. Rashid, ” Electrónica de potencia, circuitos, dispositivos y aplicaciones,” 2a ed., Prentice Hall, pp 356 410,
264 265.
[3] Ned Mohan, Tore M. Undelan, William P. Robbins,” Power Electronics,” John Wiley y Sons Inc, 2a ed., pp 161 196.
[4] William H. Hayt, Jr. Jack E. Kemmerly, Steven M. Durbin, ” Análisis de circuitos en ingeniería,” 6a ed., Mc Graw Hill, pp 49 479.