ELECTRÓNICA INDUSTRIAL Prácticas

ELECTRÓNICA INDUSTRIAL
Prácticas
Automática y Electrónica Industrial CURSO 2011-2012
Autores: Iñigo Martínez de Alegría, Armando Astarloa, Carlos Cuadrado
febrero 2006
E.S.I. INDUSTRIALES E I. TELECOMUNICACIÓN
DEPARTAMENTO DE ELECTRÓNICA Y TELECOMUNICAQCIONES
1
2
INTRODUCCIÓN ........................................................................................ 4
1.1
Ubicación del laboratorio...................................................................... 4
1.2
CALENDARIO PRÁCTICAS curso 08/09............................................. 4
1.3
NORMAS DEL LABORATORIO .......................................................... 5
1.4
MÉTODO DE EVALUACIÓN ............................................................... 5
1.5
SOFTWARE DE SIMULACIÓM PSIM ................................................. 7
1.5.1
Instalación y arranque del programa............................................. 7
1.5.2
El entorno de PSIM....................................................................... 8
1.5.3
Crear un nuevo circuito................................................................. 9
1.5.4
Simulando un circuito con PSIM ................................................. 12
1.5.5
Representando el resultado de una simulación con SIMVIEW ... 13
1.5.6
Cuestiones: ................................................................................. 14
PRÁCTICA Nº 1:CONMUTACIÓN FORZADA DE TIRISTORES.............. 16
2.1
Preparación........................................................................................ 16
2.2
Conmutación forzada de tiristores por tensión (Conmutador Clase C)
19
2.3
Conmutación forzada de tiristores por corriente (Conmutador Clase D)
20
3
4
PRÁCTICA Nº 2: Convertidores DC-DC. El convertidor Buck o reductor.. 22
3.1
Introducción al control de convertidores DC-DC conmutados............ 22
3.2
Preparación........................................................................................ 24
3.3
Convertidor Buck en modo de conducción contínuo. ......................... 24
3.4
Control en modo tensión del buck...................................................... 25
PRÁCTICA Nº 3: ....................................................................................... 27
Convertidores DC-DC. Circuitos integrados PWM. Control de circuito Buck con
CI UC3842........................................................................................................ 27
5
4.1
Preparación........................................................................................ 27
4.2
Control de Buck con CI UC3842. ....................................................... 29
PRÁCTICA Nº 4: ....................................................................................... 33
Inversor trifásico. .............................................................................................. 33
5.1
Preparación........................................................................................ 33
5.2
Introducción ....................................................................................... 33
5.3
Inversor trifásico controlado en seis pasos ........................................ 33
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5.4
6
Inversor trifásico PWM ....................................................................... 35
PRÁCTICA Nº 5:Rectificador controlado................................................... 37
6.1
Preparación........................................................................................ 37
6.2
Introducción ....................................................................................... 38
6.3
Carga resistiva ................................................................................... 39
6.4
Carga inductiva: ................................................................................. 39
6.5
Funcionamiento como inversor: ......................................................... 40
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1
INTRODUCCIÓN
Autores: I. Mtz. De Alegría, Armando Astarloa, Carlos Cuadrado
1.1
Ubicación del laboratorio
El laboratorio se halla en el sótano del edifico B, aula PSBN2.
A continuación se muestra el calendario de prácticas. Este calendario está
sujeto a posibles cambios posteriores y conviene confirmarlo con el profesor de
prácticas. El profesor de prácticas comunicará cualquier cambio a los alumnos.
CALENDARIO PRÁCTICAS curso 11/12
5
6
7
8
9
Febrero
Lu Ma Mi Ju Vi
1 2 3
6 7 8 9 10
13 14 15 16 17
20 21 22 23 24
27 28 29
Sa
4
11
18
25
Marzo
Lu Ma Mi Ju Vi Sa Do
Do
5
12
19
26
9
1
5 6 7 8
11 12 13 14 15
12 19 20 21 22
13 26 27 28 29
10
Abril
14
2 3 4 5
15 9 10 11 12
16 16 17 18 19
17 23 24 25 26
3 4
10 11
17 18
24 25
31
Mayo
Lu Ma Mi Ju Vi Sa Do
13
2
9
16
23
30
Lu Ma Mi Ju Vi Sa Do
18
1 2 3 4 5 6
7 8 9 10 11 12 13
20 14 15 16 17 18
1
6 7 8
13 14 15
20 21 22
27 28 29
19
21
22
18 30
23
Grupo Miércoles 1 xxx
Grupo Miércoles 2 xxx
Grupo Viernes 1
xxx
Grupo Viernes 2
xxx
Festivos
12
Las instrucciones para apuntarse a los grupos de prácticas se describen en el
siguiente apartado y se detallarán en la primera sesión teórica.
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1.2
GRUPOS DEL LABORATORIO
Los grupos de laboratorio se fijan inicialmente de forma aleatoria por los
profesores. La lista se dejará expuesta en el aula.
Cambios de grupos:
Se pueden realizar cambios de grupo de acuerdo con los siguientes
criterios:
-Hasta el 6 de febrero cambiando con un compañero del grupo al que se
quiera incorporar.
-Salvo causa justificada, aquellos alumnos que no asisten a la primera
práctica pierden plaza en el grupo, que pasa a ser de quien haya
solicitado plaza en dicho grupo.
1.3
NORMAS DEL LABORATORIO
Todas las simulaciones se realizaran en el directorio asignado por el
profesor para las prácticas, generalmente: Mis Documentos/electrónica_industrial.
No utilizar el escritorio ni ningún otro directorio.
Solo se permite utilizar la red para tareas directamente relacionadas con
la práctica.
Leer atentamente este manual de prácticas. Traer un dispositivo USB para
guardar los resultados.
Se recomienda descargar el manual del programa de simulación de circuitos de
potencia PSIM de la dirección web abajo indicada:
http://www.ehu.es/electronica-industrial/ElectronicaIndustrial_Automatica/practicas/.
El nombre del archivo es manPSIM.pdf.
1.4
MÉTODO DE EVALUACIÓN
Las prácticas suponen un 20% de la nota de la asignatura, de manera
que suponen 2 puntos sobre un total de 10. Los 8 puntos restantes
corresponden al examen teórico.
La evaluación de las prácticas seguirá el siguiente baremo:
Puntuación Prácticas: 2 puntos. (0.4 puntos por práctica x 5 prácticas)
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0.20 puntos por aprovechamiento (trabajo previo, finalización en el período de
la práctica, resultados correctos…) El trabajo previo requiere realizar el
apartado de preparación de cada práctica.
0.20 puntos por informe (Explicación y coherencia en los resultados)
La asistencia a las prácticas es obligatoria. Para obtener los puntos de
aprovechamiento.
Se mantiene la nota de laboratorio a los alumnos repetidores, pero es recomendable la
realización de las mismas para revisar los contenidos de la asignatura.
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1.5
SOFTWARE DE SIMULACIÓM PSIM
Psim es un simulador eléctrico de circuitos de potencia. Con este
programa pueden simularse circuitos completos, incluyendo circuitos digitales
de control, elementos de potencia y todo tipo de cargas. A pesar de esta
variedad de sistemas electrónicos, Psim es una herramienta muy sencilla de
utilizar. Lejos de la potencia de Pspice, los modelos de los elementos que se
implementan en Psim constan de unos pocos parámetros. Por otra parte, esta
simplicidad hace que sea un simulador muy robusto y fiable. Psim da buenos
resultados cuando los sistemas a simular son complejos.
La versión demo gratuita está limitada en varios aspectos:
o Numero máximo de elementos en un circuito.
o Número máximo de fuentes en un circuito.
o Número máximo de elementos de medida.
o Número máximo de puntos muestreados.
Para más información remitirse a la Ayuda de programa o a
www.powersimtech.com
1.5.1 Instalación y arranque del programa
Psim se descarga de la red como el programa autodescomprimible
psimdemo.exe que se instala en el directorio que se le indique.
Actualmente la versión de evaluación de PSIM que se puede descargar
desde www.powersimtech.com es muy incómoda para trabajar, ya que no
permite salvar los circuitos creados por el usuario. Se recomienda descargarse
la
versión
antigua
http://www.ehu.es/electronica-
desde
industrial/electronicaindustrial/practicas/.
El
programa
es
el
archivo
psimdemo.exe (versión antigua Psim 6.0 Demo) y el manual el archivo
manPSIM.pdf.
No crea iconos en el escritorio y es el usuario quien debe crearlos si es su
deseo. En el directorio de destino aparecen unos cuantos ficheros .sch, que
son ficheros de circuitos de ejemplo y un par de ficheros ejecutables psim.exe
y simview.exe, además de otros ficheros de aplicación y los correspondientes
ficheros de ayuda psim.hlp y simview.hlp.
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1.5.2 El entorno de PSIM
Arrancamos la aplicación haciendo doble-clic sobre psim.exe. Al principio
aparece gran parte del entorno desactivado. Si creamos un nuevo fichero
haciendo clic sobre el icono
o seleccionando New desde el menú File,
activaremos las principales funciones del entorno. A continuación aparece la
siguiente pantalla:
Figura 1: Nuevo circuito en PSIM.
En el entorno de Psim tenemos el área de trabajo, donde trazaremos el
circuito que va a ser analizado, y tres barras de menús más. En el menú
desplegable superior, ver figura 2, tenemos los siguientes elementos:
Figura 2 : Menú desplegable.
File
Control de ficheros de la aplicación: Abrir, Crear, Guardar,... e impresión de circuitos.
Edit
Control de elementos del circuito: Copiado, Pegado, Eliminación, Propiedades...
View
Control Rotación y Zoom. Control de Barras de Herramientas.
Subcircuit
Control de Subcircuitos. Se crean a partir de un conjunto de elementos.
Elements
Menú de adquisición de cualquier componente.
Simulate
Control de los parámetros de simulación y otras funciones.
Options
Opciones del entorno.
Window
Control de ventanas.
Help
Acceso a Ayuda
En la Ayuda del programa tenemos explicados pormenorizadamente
todos los comandos que aparecen en el menú desplegable. Inmediatamente
debajo del menú desplegable tenemos la barra de herramientas. Esta contiene
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botones de comando de sólo algunas funciones del menú desplegable. Su
aspecto es el que aparece en la Figura 3.
(1)
(2)
(3)
(4)
(5)
(6)
(7)
(8)
(9)
Figura 3 : Barra de herramientas.
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
Nuevo, Abrir, Guardar, Imprimir Fichero
Cortar, Copiar, Pegar, Pegar al Portapapeles
Rotar, Hacer Simetría
Trazar Cable, Añadir Etiqueta, Seleccionar
Zoom
Simular Circuito
Abrir SimView
Añadir Texto
Ventana de último elemento
En la parte inferior bajo el área de diseño tenemos la Barra de
Elementos. Mediante esta barra accedemos de una forma rápida a los
componentes más comunes en un sistema de potencia. En la ayuda podemos
encontrar la lista completa de elementos predefinidos en Psim, contenida en el
desplegable Elements. La Barra de Elementos tiene la siguiente apariencia:
Figura 4 : Barra de Elementos.
El nombre de cada elemento aparece debajo de esta barra cuando el
cursor del ratón se sitúa sobre el botón correspondiente. Psim dispone de
muchos elementos más como todo tipo de semiconductores de potencia,
transformadores, cargas-fuentes trifásicas, motores, elementos de control:
filtros, controladores PID, elementos lógicos y aritméticos,... Es muy interesante
darse una vuelta por la lista de elementos y explorar toda la potencia de Psim.
1.5.3 Crear un nuevo circuito
Una vez que hemos pinchado sobre New, aparece una nueva área de
trabajo sin nombre. En este momento es conveniente dar ya un nombre al
fichero y grabarlo.
El circuito representado en la siguiente figura es un snubber para un GTO
que enciende y apaga una carga inductiva-resistiva. Cuando se apaga el
conmutador la tensión se eleva repentinamente por causa de la componente
inductiva.
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Figura 5 : Circuito de continua con Snubber para GTO.
El snubber, conjunto C1, D1 y R1, proporciona un nuevo camino a este
exceso de energía, evitando que circule por el elemento semiconductor. Su
funcionamiento se basa en que el exceso de energía se produce a alta
frecuencia, donde el condensador presenta una impedancia baja.
Ahora, vamos a explicar paso a paso como crear y simular el circuito de
la figura anterior.
1. Añadir los elementos al área de trabajo. Hacemos clic en la Barra de
Elementos y los depositamos haciendo clic de nuevo. De este modo
colocamos la fuente de tensión continua, el GTO, La unidad de Control
de Puerta, el diodo, el condensador, la autoinducción, las resistencias, la
Referencia de Tensiones (Tierra) y las sondas de tensión, que medirán
la tensión de un punto sobre la referencia o diferencialmente, entre dos
puntos cualesquiera.
Figura 6: Circuito de continua con Snubber para GTO. Paso 0.
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2. Giramos estos elementos (ver botones 3, Figura 3) . Unimos los
elementos por cables mediante la herramienta Wire.
.
Figura 7: Circuito de continua con Snubber para GTO. Paso 1.
3. Una vez dibujada la topología del circuito pasamos a dar valores a los
parámetros de los elementos que forman nuestro circuito. Si hacemos
doble-clic sobre cualquier elemento aparece su ventana de parámetros.
Por lo general estos constituyen una lista muy reducida. Podemos
obtener información completa de su función pulsando el botón de Ayuda.
Figura 8: Ventanas de Edición de Parámetros de cada Elemento.
4. Ahora damos el nombre a los elementos. También podemos activar la
medida de corriente en algunos elementos mediante un bit especifico de
Psim (Ver Current Flag). En nuestro ejemplo ponemos a 1 la medida de
intensidad en C1 y en R2.
Además, deberemos ajustar los valores de todas las constantes del
circuito (resistencias, inductancias, capacitancias, intensidad-tensión
iniciales,...). En el control de conmutación ajustaremos la frecuencia de
los pulsos, el número de transiciones y la posición a la que se producen.
A continuación aparece la lista definitiva de los elementos del circuito.
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Figura 9: Circuito Final y Lista de Elementos.
1.5.4
Simulando un circuito con PSIM
Para simular un circuito en Psim incluimos en el diseño un Simulation
Control desde el menú Simulate. Este símbolo, que colocamos en nuestro
diseño, contiene los parámetros de la simulación.
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Figura 10: Circuito Final y Ventana de Control del Simulador.
En la ventana del Simulation Control fijamos el tiempo de muestreo, el
tiempo total de simulación, el tiempo a partir del cual queremos representar y
cada cuántas muestras se desea representar. Podemos guardar el resultado en
un fichero o tomar un cálculo previo como condición inicial.
Después de ajustar los parámetros de simulación pulsamos el botón 6 de
la Figura 3. La simulación se ejecuta. Si todo ha ido correctamente Psim abre
directamente el programa SimView y nos invita a seleccionar las variables que
queremos representar.
1.5.5 Representando el resultado de una simulación con SIMVIEW
Con Psim podemos representar cualquier tensión o corriente del circuito, así
como señales de control o cálculos aritméticos. En la Barra de Herramientas de
SimView tenemos botones con los comandos más importantes. Aquí
destacamos dos de ellos:
Con el botón
gráfica.
Con el botón
añadimos o quitamos curvas de una determinada
incluimos una nueva gráfica.
Podemos añadir tantas gráficas se desean o curvas en ellas. Además, con
SimView podemos ampliar estas curvas, tomar medidas, localizar máximos y
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mínimos, etc... SimView dispone de la posibilidad de realizar la FFT
(Transformada Rápida de Fourier) de las señales que estemos representando.
En nuestro ejemplo representamos Vgto (tensión en el GTO, en el sentido
usual) en la gráfica 1, VL1 y VR2 (tensión en la bobina y tensión en la
resistencia de carga) en la gráfica 2, e I(C1) (intensidad por C1) e I(R2)
(intensidad por R2) en la gráfica 3. La pantalla final de nuestro ejemplo en
SimView será la representada en la figura 11. Dejamos al alumno que explore
las posibilidades de SimView.
Figura 11: Hoja de gráficas en SimView. HOJA 0, para las cuestiones.
Contiene 3 Gráficas. Una con Vgto, otra con VL1 y VR2, una última con I(C1) y I(R2). La
coordenada temporal va desde 0 a 80 ms.
Para visualizar las gráficas con fondo blanco (muy útil para ahorrar tinta si hay
que imprimirlas) en el menú options de SimView .
1.5.6 Cuestiones:
A modo de calentamiento, se recomienda a los alumnos intentar comprender el
circuito utilizado como ejemplo y contestar a las siguientes cuestiones:
1. En el circuito de la figura 10, cambiar el valor de C1 a 1 µF. ¿Se
empeora o mejora el comportamiento del snubber? Justificar la
respuesta.
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2. ¿Cuál es la máxima tensión que soporta el GTO en este último caso?
¿Qué elemento la produce?.
3. ¿Dónde ocurre la sobretensión, en el transito a la saturación o al corte?
Justificar él porque en una y no en la otra.
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2
PRÁCTICA Nº 1: CONMUTACIÓN FORZADA DE TIRISTORES
Autor: I. Mtz. De Alegía
2.1
Preparación
Leer la documentación adjunta y repasar la teoría de semiconductores de
potencia,
y
más
concretamente
el
tiristor.
Intentar
comprender
el
funcionamiento del circuito, para ello dibujar las posibles configuraciones del
circuito en función del estado de los tiristores.
Calcular los parámetros necesarios para los dos dispositivos de disparo
(Gating block
) de los dos tiristores del circuito de la figura 12, para
cumplir los siguientes requisitos :
Antes de entrar en el laboratorio: Fijar los parámetros necesario para
los bloques gating block de los tiristores THYprincipal y THYaux de manera
que durante el 60% del período la resistencia de carga Rload lleve corriente
y durante el 40% no utilizando una anchura de pulso de disparo de 100 µs
aproximadamente. La frecuencia de conmutación es de 250 Hz. Elegir el
valor de Rload para que el valor medio de la corriente en la misma sea de
0.6 A.
Figura 12 :
Conmutación forzada de tiristores por tensión
A continuación se reproduce la ayuda del bloque gating block para
facilitar el cálculo. Existen dos tipos, el bloque gating (que es el que se utilizará
en la práctica) y el bloque gating_1, que permite introducir los disparos
mediante un fichero.
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2.2
Conmutación forzada de tiristores por tensión (Conmutador Clase
C)
El objetivo del circuito de la figura 12 es conmutar la corriente de la
resistencia Rload a través del tiristor THYprincipal. Los componentes Caux= 1 µF,
Raux y THYaux se utilizan para poder apagar el tiristor principal.
¡ Fijar el intervalo de simulación a 1 µs como máximo!
Cuestion 2: Crear el circuito de la figura 12 en PSIM. El tiristor auxiliar es
ideal y el tiristor principal tiene una tensión en conducción de 0.4 V, una
corriente de enganche de 0.15 A y una corriente de mantenimiento de
0.1A. Inicialmente fijar el valor de Raux a 10 Ω, y C = 1 µF. Simular el
circuito durante 4 períodos y visualizar la corriente en Rload y en
THYprincipal. ¿Por que son diferentes las dos corrientes?. ¿Cual es el pico
de corriente por cada uno de los tiristores? Justificar el valor observado.
Cuestión 3: Medir la potencia media disipada en Raux. Modificar el valor
de Raux para que las pérdidas en dicha resistencia no superen los 100
mW. La potencia se puede visualizar introduciendo en SimView el
producto de V e I en la resistencia. Visualizar el valor instantaneo y el
valor medio.
Cuestión 4: El circuito requiere elegir de forma correcta el condensador,
de manera que el circuito pueda operar en la manera deseada (cuando la
corriente de la resistencia principal no se anula antes del siguiente ciclo).
Si el valor del condensador es demasiado grande o demasiado pequeño
puede que no se apague el tiristor principal. Partir de un valor de 1 µF e ir
disminuyendo hasta que deje de funcionar el circuito (utilizar Raux = 1kΩ).
Proceder de igual manera aumentando el valor del condensador.
¿Cuáles son los valores máximo y mínimo para los que deja de
funcionar?
¿Cuál es la razón para que deje de funcionar en cada caso?
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Cuestión 5: Explicar el funcionamiento del circuito de la forma más
detallada posible (utilizar C = 1 µF y Raux = 1kΩ) utilizando las gráficas de
las corrientes en Rload, en el tiristor principal, en el auxiliar y en el
condensador, así como la tensión del condensador.
2.3
Conmutación forzada de tiristores por corriente (Conmutador Clase
D)
Para obtener el mismo objetivo que en el apartado 2.2, se sustituye el
circuito auxiliar por el de la figura 13. En este caso, para que el circuito funcione
correctamente, el condensador debe comenzar cargado a la tensión de la
fuente, por lo que el primer tiristor en ser disparado es el auxiliar THYaux.
C = 1 µF y L = 1 mH.
Cuestión 6: Determinar la frecuencia máxima de conmutación antes de que el
circuito comience a funcionar de forma incorrecta (cuando la corriente de la
resistencia principal no se anula antes del siguiente ciclo). Justificar el valor
observado.
Cuestión 7: Explicar el funcionamiento del circuito mediante las gráficas de la
corriente del condensador, corriente del tiristor principal, tensión en el tiristor
principal, tensión en el condensador y corriente en la carga (C = 1 µF, L = 1mH)
Figura 13 : Conmutación forzada de tiristores por corriente.
Cuestión 8: Si la carga es de tipo inductivo (por ejemplo un motor) con una
inductancia de 1 mH en serie con la resistencia, como en la figura 14. ¿Qué
sucede con la tensión en el tiristor principal? ¿Porqué? (C = 1 µF, L = 1mH)
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Figura 14 : Conmutación forzada de tiristores por corriente y carga inductiva.
Cuestión 9: Para corregir el efecto de la carga inductiva se utiliza un diodo en
paralelo con la carga, tal y como se muestra en la figura 15. ¿Qué sucede con
la tensión en el tiristor auxiliar y con la corriente de la inductancia de carga y del
diodo? ¿Porqué? (C = 1 µF, L = 1mH)
Figura 15 : Conmutación forzada de tiristores por corriente, carga inductiva y diodo
volante.
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3
PRÁCTICA Nº 2: Convertidores DC-DC. El convertidor Buck
o reductor.
Autor: I. Mtz. De Alegría
3.1
Introducción al control de convertidores DC-DC conmutados
La salida de un convertidor DC-DC conmutado se mantiene constante a través
de un lazo cerrado de control. El valor real de la tensión de salida se compara
con la tensión de referencia. El error entre la tensión real y la deseada o de
referencia controla el ciclo de trabajo del transistor. La función del lazo de
control es regular la salida frente a variaciones en la tensión de salida
(regulación de línea o “line regulation”) y en la corriente de carga (regulación
de carga o “load regulation”).
Existen dos modos de regulación utilizados pricipalmente en el control de
convertidores DC-DC, el control en modo tensión o “Voltage-mode control” y el
control en modo corriente o “Current-mode control”. El modo tensión es el
modo clásico y más sencillo pero la mayoría de circuitos integrados modernos
utilizan el modo de control corriente por sus mejores prestaciones y su mayor
facilidad de sintonización.
En esta práctica se va a estudiar el control en modo tensión.
Control en modo tensión:
Figura 16: Control modo tensión de un convertidor boost o elevador.
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La tensión de salida Vout se compara con la tensión de referencia Vref a través
de un divisor de tensión R1, R2 y el error es amplificado a través de un
regulador (PI-regulator en la figura 16).
Se compara la salida del regulador V2 con un modulador PWM (figura 17) y se
convierte la señal de control PI V2 en una tensión troceada con un ciclo de
trabajo t1/T. La salida del PWM controla el encendido y el apagado del
transistor del convertidor.
Figura 17: Obtención de señal PWM.
El lazo cerrado funciona de la siguiente manera: Si la tensión de salida Vout es
demasiado pequeña, la tensión V’out será menor que la tensión de referencia
Vref. Esto hará aumentar la tensión de salida del regulador PI V2. En el PWM
V2 se compara con una referencia triangular y aumentará el ciclo de trabajo
t1/T, aumentando la tensión de salida. Si la tensión de salida es demasido
grande el control funciona reduciendo el ciclo de trabajo.
Diseño del regulador:
En las figuras 17 y 19 el sistema PI-regulator se muestra un circuito de
regulación típico, pero este debe ser elegido de acuerdo con la función de
transferencia del sistema, de manera que el circuito utilizado en cada caso
difiere.
En el caso del control en modo tensión, el regulador es de la siguiente forma:
El lazo de control se debe ajustar de la siguiente manera:
La frecuencia de corte debe ser fc = fswitch/10
El margen de ganancia debe ser 45º, es decir fc = 1/(2π R1C1)
A la frecuencia de corte la ganancia debe ser unitaria, es decir
R2/R1 = (2 π fc)2 Vp LC /Vin
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donde Vin es la tensión de entrada, Vp es el valor de pico de la moduladora
triangular y L y C son la inductancia y condensador del convertidor
La ganancia a bajas frecuencias debe ser alta para un error en el permanente
nulo: 1/(R2C2) = 0.1 sqrt(1/(LC))
3.2
Preparación
Repasar la teoría de los convertidores DC-DC en modo de conducción
continuo y discontinuo.
Obtener el ciclo de trabajo de un convertidor reductor o Buck en régimen
continuo para una tensión de entrada de 12 Vdc y una tensión de salida de 5
Vdc.
Encontrar una expresión para el rizado de la corriente por la bobina en
función del ciclo de trabajo, la tensión de entrada y el valor de la inductancia.
Para ello suponer la tensión de salida constante.
Hallar la resistencia de carga para la que el circuito pasa a conducción
discontinua si el ciclo de trabajo es D = 0.42.
Calcular los valores de resistencias y condensadores para el circuito de
regulación en modo tensión del convertidor Buck de la cuestión 6 de acuerdo
con los criterios dados previamente.
3.3
Convertidor Buck en modo de conducción contÍnuo.
¡ Fijar el intervalo de simulación a 100ns como máximo!
Crear el circuito de la figura en PSIM.
Figura 18: Convertidor Reductor o Buck.
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Cuestión 1: Variar el ciclo de trabajo manualmente hasta que la tensión
de salida sea de 5 Vdc (se considera válido un valor entre 4.9 V y 5.1V)
Cuestión 2: Medir el rizado en la corriente de la bobina y su valor medio.
¿Qué relación existe entre el valor medio de la corriente en la bobina y la
de la carga? ¿Por qué?
Cuestión 3: ¿Como varía la tensión de salida si el MOSFET tiene una
resistencia en conducción RDSon de 100 mΩ? Justificar el resultado en el
informe.
Cuestión 4: ¿Como varía la tensión de salida si el diodo tiene una caída
de tensión en conducción de 0,3V (hacer RDSon = 0 Ω)? Justificar el
resultado en el informe.
Cuestión 5: Variar la resistencia de carga a 10 Ω y a 20 Ω. ¿Qué sucede
con el rizado de la corriente por la bobina?. ¿Y con el valor medio de la
corriente de la bobina y de la carga? ¿Cuánto vale la tensión de salida?
3.4
Control en modo tensión del buck.
Cuestión 6: Introducir un lazo de control en modo tensión como en la
figura 19 y ajustar el lazo de control para que el circuito regule la tensión
de salida a 5V.
Figura 19: Convertidor Reductor o Buck.
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¡Atención! El integrado es un Amplificador Operacional, no un
comparador. Fijar la alimentación del mismo a 0 y 1V.
Cuestión 7: ¿Qué sucede con la tensión de salida y la corriente en la
bobina y en la carga si la resistencia de carga varía periódicamente entre
2 Ω y 1Ω con una frecuencia de 100 Hz?
Esto se puede realizar utilizando una carga variable implementada como
en la figura 20:
Figura 20 : Carga variable.
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4
PRÁCTICA Nº 3:Convertidores DC-DC. Circuitos integrados
PWM. Control de circuito Buck con CI UC3842.
Autor: I. Mtz. De Alegría
4.1
Preparación
En esta práctica se pretende que el alumno haga un diseño de un convertidor
Buck con el circuito de control PWM uc3842 incluido, por lo que requiere que el
alumno dedique cierto tiempo al planteamiento de la misma antes de asistir al
laboratorio, siguiendo el guión de la práctica. La hoja de especificaciones del
UC3842 aparece al final de esta documento y también se puede descargar
desde
http://www.ehu.es/electronica-industrial/aei/practicas/uc3842_3.pdf.
Los parámetros del convertidor son
Vin = 50 V, Vo = 12 V, fsw = 100 kHz, Imax = 2.5 A, L = 200 µH, C = 47 µF
-Explicar la función de cada uno de los 8 pines en una frase breve y realizar los
cálculos teóricos necesarios para las cuestiones de la práctica.
En esta práctica se realiza un control en modo corriente del convertidor Buck.
Control en modo corriente:
En el control en modo corriente la salida del regulador V2 no se compara
directamente con la señal triángular PWM (figura 19) sino con la medida de la
corriente de la bobina (observar que durante Ton la corriente del Mosfet es
igual a la corriente de la bobina.).
El Mosfet se dispara con el flanco de subida del reloj y se apaga cuando la
corriente se hace mayor que la señal V2. De esta manera se controla
directamente la corriente de la bobina y se puede limitar su valor máximo.
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Figura 21: Control modo corriente de un convertidor boost o elevador.
El regulador (PI-regulator en la figura 21) del control en modo corriente regula
la corriente de la bobina directamente. Esta corriente alimenta el condensador
de salida Cout y la carga RL. Cout y RL forman un sistema de primer orden
cuya respuesta a un escalón es una función exponencial.
El control en modo tensión regula el ciclo de trabajo t1/T, es decir, la tensión
aplicada a la bobina. Esta tensión opera sobre un sistema de segundo orden
formado por L, Cout y RL. La respuesta a dicho sistema es un transitorio
sinusoidal amortiguado. El control en modo corriente tiene una mejor respuesta
transitoria. Por esta razón la mayoría de controladores utilizan este modo de
control.
Figura 22: Comparación del control en modo corriente y en modo tensión.
El circuito de compensación es como el de la figura 23
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Figura 23: Circuito de compensación.
El lazo de control se debe ajustar de la siguiente manera:
La frecuencia de corte debe ser fc = fswitch/ π
A la frecuencia de corte la ganancia debe ser unitaria, es decir
R2/R1 = 2 fswitch2 Gi C (donde Gi es la ganancia de la medida de corriente)
La ganancia a bajas frecuencias debe ser alta para un error en el permanente
nulo: 1/(R2C2) = 1/(RC)
-Calcular los valores de resistencias y condensadores para la regulación en
modo corriente del circuito propuesto con una ganancia Gi = 0.1.
4.2
Control de Buck con CI UC3842.
¡ Fijar el intervalo de simulación a 100ns como máximo!
Descargar los circuitos (BUCK3842.sch y UC3842.sch) y desde
http://www.ehu.es/electronica-industrial/electronicaindustrial/practicas/
El circuito UC3842.sch contiene el modelo del circuito integrado PWM UC3842
para PSIM. El circuito BUCK3842.sch será utilizado como plantilla para hacer el
diseño de la práctica y contiene un subcircuito con la numeración de pines del
CI UC3842. Para que este subcircuito haga la llamada al modelo UC3842.sch,
hay que editar la llamada al subcircuito. Para esto es necesario seleccionar el
subcircuito en BUCK3842.sch, y editar el “path”, indicando donde se ha
guardado UC3842.sch, tal y como se puede apreciar en las figura 24.
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Figura 24.
-Introducir el circuito Buck como en la práctica anterior dentro del
esquemático BUCK3842.sch
-Inicialmente alimentar el circuito integrado (pin 7: Vcc) con una fuente de
20 V.
-Fijar la frecuencia de conmutación del oscilador (conectados al pin 4) a
100 KHz +/-5% seleccionando adecuadamente Ct y Rt. En primer lugar
hacer el cálculo según las hojas de especificaciones, pero después
comprobar y ajustar mediante simulación los valores de Ct y Rt.
-Fijar el divisor de tensión de realimentación conectado al pin 2 (VFB)
para mantener la tensión de salida a 12V.
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-Ajustar el lazo de compensación de la realimentación (entre pines 1 y 2
VFB y COMP) para obtener una buena respuesta ante cambios bruscos
en la corriente de carga.
-Simular un transitorio variando la resistencia de carga de 5 a 50 Ω y de
50 a 5 Ω. Intentar mejorar la respuesta modificando los valores del circuito
de compensación.
- Para evitar una disipación excesiva se utiliza una resistencia de medida
de la corriente de la bobina de 10 m Ω.
Figura 25.
¿Qué ventajas e inconvenientes presenta cada posición de R_Isense
(figura 25) en cuanto a la potencia disipada en la misma y en cuanto a la
tensión en la carga?
La ganancia de la medida de corriente sería Gi = 0.01. Introducir un
amplificador de ganancia positiva como el de la figura 26 para aumentar la
ganancia de la medida de corriente a Gi = 0.1.
Figura 26.
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-A partir de los 50 Vdc de entrada diseñar una alimentación que disipe la menor
potencia posible (inferior a
1W) el UC3842, evitando que la tensión de
alimentación supere los 25 V o este por debajo de 18 V. Al diseñar la
alimentación del circuito integrado considerar que el integrado consume
aproximadamente 11mA.
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5
PRÁCTICA Nº 4: Inversor trifásico.
Autor: I. Mtz. De Alegría
5.1
Preparación
Repasar la fórmula de distorsión armónica total THD y preparar una tabla
para recoger los valores pedidos a lo largo de la práctica.
5.2
Introducción
Un inversor trifásico se compone de seis interruptores conectados a una
carga trifásica y una fuente de tensión continua tal y como se muestra en la
figura 27. En función del orden y la frecuencia de disparo de los 6 interruptores
se obtienen ondas de tensión y corriente de diferentes contenidos armónicos.
Figura 27. Inversor trifásico.
5.3
Inversor trifásico controlado en seis pasos
La forma más sencilla de controlar un inversor trifásico es encender los
interruptores durante la mitad del período y desfasados entre si 60º, siguiendo
el orden indicado en la figura 27. Para evitar cortocircuitar la fuente de tensión,
el disparo de los semiconductores superior e inferior de cada rama son
complementarios.
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Cuestión 1: Crear el circuito de la figura 27 en PSIM
Vdc = 300 V, R = 1 Ω y L = 1 mH.
Cuestión 2: Se quiere que las tensiones y corrientes tengan una
frecuencia de fundamental de 50 Hz. Introducir los circuitos de disparo
necesarios, tal y como se observa en la figura 28. Para ello hay que fijar la
frecuencia y la fase de las tres fuentes de pulsos. Observar las formas de
onda Vab, Vbc, Vca, Van, Vbn, Vcn e Ia. Explicar porque se obtienen estas
formas de onda.
Figura 28. Circuito de disparo para inversor de 6 pulsos.
Cuestión 3: Hallar los armónicos de las tensiones Vab, Van e Ia hasta 2.5
KHz, utilizando la posibilidad de calcular la transformada de Fourier de
Simview (boton FFT en el visualizador de gráficas). Mostrar los valores
en forma de tabla.
Nota: Para obtener valores correctos de los armónicos, conviene simular períodos
completos de las ondas a medir, y a poder ser evitar los transitorios iniciales. Al
realizar la FFT se observan una serie de picos triangulares. Esto se debe a que
Simview une todos los puntos calculados mediante rectas, pero los armónicos son
únicamente los picos de los triángulos.
Cuestión 4: Calcular la distorsión armónica total (THD) de las Vab, Van e
Ia, teniendo en cuenta únicamente los armónicos hasta 2.5 KHz. (Utilizar
las tablas obtenidas en la cuestión 3).
Cuestión 5: Comparar los armónicos de Ian con los valores que se
obtienen utilizando Ian = Van/Zn.
Cuestión 6: Calcular la potencia disipada en la carga.
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5.4
Inversor trifásico PWM
Las formas de onda de la corriente pueden mejorar considerablemente
realizando un control más sofisticado, la modulación por ancho de pulso (PWM:
Pulse Width Modulation).
Cada interruptor se controla comparando una onda sinusoidal de
referencia con una portadora triangular (ver figura 29). La frecuencia
fundamental de salida es igual a la frecuencia de la onda de referencia, y la
amplitud de la componente fundamental de la tensión de salida depende de las
amplitudes relativas de las ondas de referencia y portadora.
Los interruptores se controlan de forma complementaria por parejas:
(S1,S4), (S2,S5) y (S3,S6).
El control de los interruptores es como sigue:
S1 conduce cuando Varef > Vtri
S4 conduce cuando Varef < Vtri
S3 conduce cuando Vbref > Vtri
S6 conduce cuando Vbref < Vtri
S5 conduce cuando Vcref > Vtri
S2 conduce cuando Vcref < Vtri
En PSIM se puede implementar de la siguiente manera:
Figura 29. Control PWM.
Los armónicos se minimizan si la frecuencia de la portadora es múltiplo
impar de tres veces la frecuencia de referencia; es decir, 3, 9, 15…veces la de
referencia.
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Cuestión 7: Fijar la frecuencia de la portadora a 9 veces la de referencia
(fref =50Hz) y ma = Varefmax/Vtri =1. Observar las formas de onda Varef y Vtri,
Vab,Van, e Ia.
Cuestión 8: Aumentar la frecuencia de la portadora hasta 33 veces la de
referencia. Hallar los armónicos de Vab, Van e Ia hasta 2.5 KHz. Calcular la
distorsión armónica total (THD) de las Vab, Van e Ia, teniendo en cuenta
únicamente los armónicos hasta 2.5 KHz. Compararlos con los resultados
del inversor de 6 pulsos. Hallar la componente fundamental de la tensión
de salida Vab en función del índice de modulación de amplitud ma =
Varefmax/Vtri para ma = 1, ma = 0.5 y ma = 0,1.
Cuestión 9: (En el informe)
¿Que habría que modificar en ambos tipos de control para modificar la
frecuencia de salida y la amplitud de la tensión de salida del inversor?.
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6
PRÁCTICA Nº 5: Rectificador controlado
Autor: I. Mtz. De Alegía
6.1
Preparación
Leer la documentación adjunta y repasar el rectificador trifásico totalmente
controlado. Obtener los valores teóricos pedidos a lo largo de la práctica
consultando la bibliografía para compararlos con los valores experimentales.
De acuerdo con la norma EN61300-3-2 un equipo trifásico es de clase A si no
supera los 16 A eficaces por fase. Comprobar si el rectificador es de tipo A
cuando el ángulo de disparo es α = 0 y
a) La carga es una resistencia de 30 Ω
b) La carga es inductiva con una corriente constante con un valor IL = 18 Adc.
Preparar una tabla en la que sea posible comparar los armónicos obtenidos en
las diferentes simulaciones con los valores máximos admisibles dados en la
siguiente tabla (límites de acuerdo con la norma EN61300-3-2 para equipos de
clase A):
Orden del armónico
Corriente máxima admisible A
n
(valor eficaz)
Armónicos Impares
3
2,30
5
1,14
7
0,77
9
0,40
11
0,33
13
0,21
15 ≤ n ≤ 39
0,15 x 15/n
Armónicos pares
2
1,08
4
0,43
6
0,30
8 ≤ n ≤ 40
0,23 x 8/n
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6.2
Introducción
Un rectificador trifásico controlado es un circuito de potencia compuesto
por 6 tiristores conectados tal y como se muestra en la figura 30:
Figura 30 : Rectificador trifásico controlado.
La entrada del circuito se conecta una red trifásica y la salida a una
carga DC. Los tiristores se disparan periódicamente, cada 60º, siguiendo el
orden indicado en la figura 30 (1 -> 2 -> 3 -> 4 -> 5 -> 6 ->1…). El primer tiristor
se dispara con un ángulo de disparo alpha medido a partir del ángulo de
conmutación natural, es decir, retrasado 30º respecto al paso por cero de la
tensión conectada a su ánodo.
Para la simulación del rectificador con PSIM no es necesario utilizar 6
tiristores. Existe un bloque predefinido, “3-ph Thyristor Bridge” que se puede
hallar en Elements -> Power -> Switches.
Para el control del ángulo de disparo de un puente trifásico de tiristores
se utilizara el bloque “Alpha Controller” (figura 31). Este bloque se puede
obtener en Elements -> Other -> Switch Controllers. Para su correcto
funcionamiento necesita tres entradas:
Figura 31 : Controlador de ángulo de disparo “Alpha Controller”.
a) enable: Debe valer 1 para habilitar el control
b) sync: El ángulo alfa de disparo se mide a partir del momento en que se
detecta un flanco de subida en sync.
c) alpha: Valor del ángulo de disparo en grados.
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Nota 1: Para el correcto funcionamiento del circuito, se debe implementar un dispositivo
que genere un flanco de subida cada vez que la tensión de la fase A se haga mayor que
la de la fase C. Una manera sencilla es comparar las tensiones de fase Va y Vc.
Nota 2: Se deben introducir los parámetros de frecuencia y ancho del impulso de disparo
al elemento “Alpha Controller”. La frecuencia de “Alpha Controller” debe ser igual a la
de la red trifásica. Utilizar inicialmente una anchura de pulso de 10º.
6.3
Carga resistiva
Conectar el rectificador trifásico controlado a una red de 50 Hz y tensión
eficaz de 400 Vrms (entre fases). La carga es una resistencia de 30 Ω.
Cuestión 1: Mostrar la tensión en la resistencia de carga cuando el
ángulo de disparo toma los siguientes valores: 0º, 30º, 60º.
Nota: Se debe observar que en el primer ciclo, la forma de onda no es la
del régimen permanente. ¿Qué dos tiristores deben estar en conducción
inicialmente para simular desde el comienzo el régimen permanente?
Cuestión 2: Utilizando la función AVG en Simview medir el valor medio
de la tensión en la carga en los tres casos. Justificar este valor. (Conviene
visualizar solo el régimen permanente y tomar el valor medio al final de un
ciclo completo para obtener el valor más exacto)
Cuestión 3: ¿Qué sucede cuando el ángulo de disparo es mayor de 60º y
menor de 90º cuando el ancho del pulso de disparo es de 10º? ¿Y si lo
incrementamos a 120º? En el informe explicar la diferencia entre los
dos resultados.
Cuestión 4: Qué sucede cuando el ángulo de disparo es mayor de 90º?
Justificar todas las respuestas.
6.4
Carga inductiva:
Sustituir la resistencia de carga por una fuente de corriente de 18 A.
Nota 3: Para evitar transitorios iniciales y problemas en la simulación, conviene
introducir en el modelo del rectificador los tiristores que conducen inicialmente,
siguiendo la siguiente tabla:
α < 90
-> conducen 5 y 6
90 < α < 180 -> conducen 5 y 4
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¡Para evitar problemas de simulación, se deben fijar los dos tiristores que
conducen en el instante inicial ¡
Esto se hace haciendo doble clic sobre el convertidor y poniendo a 1 el
parámetro Initial Position de los tiristores correspondientes.
Cuestión 5: Mostrar la tensión en la carga cuando el ángulo de disparo
toma los siguientes valores: 45º, 60º, 90º, 120º, 160º. ¿Cuál es el valor
medio de la tensión en la carga en los cinco casos? Justificar estos
valores.
Cuestión 6: Fijar el ángulo de disparo a 45º ¿Qué sucede si en serie
con las tres fuentes sinusoidales se colocan tres inductancias de 5 mH?
¿Cómo varía la forma de onda de la tensión de salida y su valor medio?.
Justificar el resultado anterior, para ello conviene visualizar la corriente
por dos de las inductancias.
¡Ojo, el circuito de sincronización debe estar conectado a la fuente
trifásica y no a la salida de las bobinas!
Cuestión 7: Fijar el ángulo de disparo a 0º.
Obtener los armónicos hasta una frecuencia de 700 Hz y comprobar si
cumple la norma EN61300-3-2.
6.5
Funcionamiento como inversor:
Cambiar el valor de la tensión eficaz a 4160 Vrms (eficaz entre fases).
Sustituir la carga por una resistencia de 2 Ω, una inductancia de 0.15 H y una
fuente de tensión continua de -3000 Vdc. Fijar el valor inicial de la corriente en
la inductancia a 95.5 A y el ángulo de disparo a 120º. Fijar la posición inicial de
los tiristores 3 y 4 del rectificador a 1 (En conducción) y el resto a 0.
Cuestión 8: ¿Quién entrega potencia, la red trifásica o la fuente DC?
Cuestión 9: ¿Cuánta potencia se entrega? ¿Cuáles son las pérdidas?
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