Capitulo 4

4.
DISEÑO DE LA ARQUITECTURA DEL
CONVERTIDOR
3.1 CARACTERÍSTICAS DEL DIESEL AL QUE SE CONECTA
Los datos de partida dados por la red se representan a continuación en la Tabla
2. La potencia máxima que se desea convertir con el inversor NPC va a ser de
aproximadamente 13.5 KW.
Parámetros
Valor
Tensión de red VAC (V)
400
Frecuencia de red (Hz)
50
Potencia (KVA)
100
Corriente IAC (A)
50
Tabla 1: Datos de partida de la red
3.2 REQUERIMIENTO A COMPONENTES
Los componentes (diodos, IGBT y condensadores) deberán cumplir los
siguientes requisitos (Tabla 3) para el correcto funcionamiento del inversor.
DC Input
Max. DC voltage [Vdc]
900
Max. input current [A]
15
Max. DC power [kW]
13.5
AC Output
Rated AC voltage [Vac, rms, ll]
400
Frequency rated [Hz]
50Hz
Rated AC power [kVA]
13.5
Maximum output current [Arms] 19.5
Tabla 2: Características técnicas de inversor NPC
3.3 DISEÑO POR SUBSISTEMAS
El sistema completo del convertidor NPC se dividirá en distintos módulos o
subsistemas, que se pueden ver en la figura 21.
Figura 1: Módulos del convertidor y adaptación a red
El convertidor es la parte principal del sistema. Comprende la parte de potencia
formada por los IPMs (Intelligent Power Module), y éste a su vez por los
condensadores del DC-Link, los IGBTs, los diodos y su placa de drivers.
Las protecciones estarán formadas por magnetotérmicos y contactores.
El bloque de medidas se encargará de tomar información de tensión y corriente
del convertidor y transmitirla al control central.
La parte de control central procesará la información recibida por el bloque de
medidas, para que éste actúe, realice las operaciones necesarias para el control y
module.
El módulo de adaptación de señal enlaza el convertidor y el sistema de control
central, adecuando las señales que recibe, ya sea adaptando los disparos a los niveles
de tensión adecuado, como los errores pertinentes recibidos, en este caso, errores de
driver.
A continuación se describirán los componentes principales que forman el
inversor.
3.3.1 IGBT
A la hora de seleccionar la pastilla de semiconductor, se ha optado por el
modelo SKM100GB12V [19], capaz de soportar 1200 V. La parte que comprende el DCLink de nuestro inversor deberá soportar 750 Vdc como mínimo, con un margen de
seguridad propuesto que llegue hasta 900 V y una intensidad nominal suficiente para
que el transistor y el diodo no sufran daños. En la figura 3 se puede ver la pastilla de
IGBT que se ha elegido, mientras que en la tabla 3 se pueden ver los rangos de uso
para este modelo. Serán necesarias 6 pastillas de este modelo, 2 por cada rama.
Figura 2: Pastilla de IGBT modelo SKM100GB12V.
Rangos máximos absolutos
IGBT
Vces (Collector-emitter voltage)
1200 V
Ic,nom (Continuous collector current)
100 A
ICRM (Repetitive peak collector current)
300 A
-40, 150 ºC
Tj (Junction temperature)
Diodo
If,nom (Forward current)
100 A
IFRM (Repetitive peak forward current)
300 A
Tj (Junction temperature)
-40, 150 ºC
Tabla 3. Características de los IGBT.
3.3.2
Diodos
Como se observa en nuestra configuración (Figura 1), necesitamos 6 diodos de
conmutación. La importancia de los diodos conectados al punto medio en esta
tecnología se debe a que son los encargados de fijar las tensiones de bloqueo de los
interruptores a una fracción de la tensión del bus de continua. Se requiere que los
diodos sean de recuperación rápida y que soporten la corriente nominal del inversor.
En este caso se seleccionaron como diodos las mismas pastillas de IGBT
usadas, salvo que ahora usaremos los diodos en antiparalelo que tiene esta pastilla.
Para ello no se podrán dejar al aire las puertas de los transistores ni cortocircuitarlas,
sino que habrá que alimentarlas.
Las características de estos diodos se encuentran en la tabla 3.
3.3.3
Condensadores
El modelo seleccionado es el ALS31A222NF450 de BHC components. Se observa
en la tabla 4 sus principales características. El hecho de que la capacidad sea de 2200
uF se debe a que son los que estaban disponibles en el laboratorio.
Figura 3. Condensador seleccionado.
Capacidad
Tolerancia
Voltage Rating
ESR
2200 uF
+/- 20%
450 Vdc
0.059 ohm
Tabla 4. Características del condensador elegido.
3.3.4
Sensores
En el inversor NPC se realizarán una serie de medidas de tensión e intensidad
para conocer en todo momento el estado del sistema. Estas medidas son importantes
para el control del convertidor y se conectan directamente con el sistema de control
central. Se van a realizar concretamente 8 mediciones, siendo éstas:
o
3 medidas de intensidades, una por fase.
o
2 medidas de tensión AC, Vrs,l y Vst,l.
o
2 medidas tensión DC.
Fuentes
De
Continua
DIESEL GENERATOR
30 KVA - 400 V – 50 Hz
Q0
3P
DC
Sensor
Vdc
3x¿?mm2
3x¿?mm2
Q1
4P 800V
3x¿?mm2
DC
AC
Sensores
Iac
DC
Sensor
Vdc
Autoinductancia
variable
Q2
4P 265A
400Vac
3x
1.2 mH
Sensores
Vac
3x¿?mm2
TRANSFORMER
100 KVA
600/690 Vac
Figura 4. Situación de los sensores de intensidad y corriente
3.3.4.1 Sensores de corriente
Para la medida de corriente se utilizarán sensores Hall con salida en corriente
debido a su inmunidad frente al ruido electromagnético.
Se usará el modelo de LA 55-p[21], cuyas características se observan en la
tabla 5. Se eligió este modelo por disponer de él en el laboratorio.
Figura 5. Sensor de corriente modelo LA 55-p.
Ipn
Ip,r
Isn
K
V
Ic
Características eléctricas
Intensidad nominal en el primario
Rango de intensidad medida en el primario
Intensidad nominal en el secundario
Ratio de conversión
Voltaje de alimentación
Intensidad consumida
50 Arms
0-70 A
50 mArms
1:1000
+/- 12-15 V
10+ Isec mA
Tabla 5. Características eléctricas del sensor modelo LA 55-p.
3.3.4.2 Sensores de tensión
Para la medida de la tensión en el lado de la red y en el lado de la máquina a
690V de línea, se utilizarán sensores con efecto Hall.
Se utilizará el modelo de LEM LV25-800[22]. Se eligió este modelo por disponer
de él en el laboratorio. Sirve para medir tensiones tanto de AC como de DC. Posee
aislamiento galvánico entre el primario y el secundario. Para medir tensiones
deberemos colocar una resistencia externa al diodo, para convertirlas a corriente. En la
tabla 6 se observan sus características.
Figura 6. Sensor de tensión modelo LV25-P
Ipn
Ip,r
Isn
K
V
Ic
Características eléctricas
Intensidad nominal en el primario
Rango de intensidad medida en el primario
Intensidad nominal en el secundario
Ratio de conversión
Voltaje de alimentación
Intensidad consumida
10 Arms
0-14 A
25 mArms
2.5:1000
+/-15 V
10 + Isec mA
Tabla 6. Características eléctricas del sensor modelo LV 25-p.
3.3.5
Inductancias
Se incluyen bobinas a la salida del equipo en la parte de AC para filtrar las
corrientes obtenidas. Se escogen las que estaban disponibles en el laboratorio. Son
unas inductancias en las que se puede seleccionar el valor de la bobina entre 0.8, 1 y
1.2 mH. En la siguiente figura podemos observar las 3 inductancias colocadas en el
equipo, una por fase:
Figura 7. Inductancias de filtrado del equipo.
3.3.6
Drivers
Se va a utilizar el driver SKYPER 32 PRO R [23] que se muestra en la figura 9,
el cual permite trabajar de la manera deseada, es decir, disparando los igbts de cada
pastilla de manera independiente. Presenta, entre otras, las siguientes características:
o
o
o
o
o
UL 508C.
Dos canales de salida.
Protección Under voltage.
Protección contra cortocircuito.
Apagado suave.
Figura 8. Driver Skyper32PRO R.
Valores máximos admisibles
Tensión de alimentación
16 V
Pico de corriente de salida
15 A
Frecuencia máxima conmutación
50 KHz
1700 V
Resistencia de encendido mínima
1.5 ohm
Resistencia de encendido máxima
1.5 ohm
Vs
Iout,peak
Fmax
Vce
Rg,on,min
Rg,off,min
Tabla 7. Características Driver SKYPER 32PRO
Permiten el control independiente de cada uno de los transistores que es capaz
de gobernar. La particularidad que presenta este caso, es que para ello obliga a una
configuración en la que los tiempos muertos introducidos internamente por el driver
son 0, es decir, las señales de disparo que se generen en el hardware de control
central (en este caso la FPGA) deben hacerse cargo de la inserción de estos tiempos
muertos con el fin de evitar cortocircuitos en las conmutaciones.
3.3.7
Placas
3.3.7.1 Placas de medidas
Las placas de medidas corresponden tanto a las de tensión como las de
intensidad. Su funcionamiento se explicó en los apartados 2.3.4.1 y 2.3.4.2. Los
sensores de tensión serán 5, para tomar las 3 medidas de tensión alterna y 2 de
continua, aunque finalmente se decidió que las medidas de alterna fueran de línea, en
vez de fase. Los sensores de intensidad serán 3, uno por fase.
Las siguientes imágenes muestran las placas:
Figura 9: Placa de sensores de tensión.
Figura 10. Placa de sensores de corriente
3.3.7.2 Placa de drivers
Puesto que los disparos lo controla la FPGA y se envían al driver a través de
fibra óptica se hace necesaria una placa de adaptación que las adecúe a las
características necesarias para atacar a los drivers:
Adaptación de los disparos procedentes de fibra óptica.
Apagado suave de los IGBTs centrales.
Supresión de los tiempos muertos, ya que esto está implementado en software
como objetivo del proyecto en la FPGA.
En la siguiente figura podemos observar la pcb diseñada:
Figura 11. Placa de drivers Skyper32PRO
3.3.8
Ventilación
El modelo de ventilador elegido para cada módulo es el SKF 9-230-01[24].
Presenta las siguientes características:
F
V
Q
P
N
Frecuencia
Tensión
Caudal
Potencia
Ruido
50/60 Hz
230 V
375 m3/h
24 W
54 dB
Tabla 8. Características ventilador SKF 9-230-01.
Figura 12. Ventilador SKF 9-230-01.
3.3.9
Alimentación de sensores, placa de control y ventilación
El modelo de la fuente de alimentación es el MW T-60C [25] de Mean Well.
Éste se encarga de alimentar todos los elementos que precisen de la misma. Las
características que presentan son las siguientes:
Vac
Vs1
Vs2
Vs3
Is1
Is2
Is3
Voltaje alimentación
Tensión salida 1
Tensión salida 2
Tensión salida 3
Intensidad salida 1
Intensidad salida 2
Intensidad salida 3
240 V
5V
15 V
-15 V
5A
2A
0.5 A
Tabla 9. Características de la fuente de alimentación MW T-60C.