UNIVERSIDAD POLITÉCNICA SALESIANA · de tesis titulado: “DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE MÓDULOS...

UNIVERSIDAD POLITÉCNICA SALESIANA

CARRERA DE INGENIERÍA ELECTRÓNICA

DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE MÓDULOS PARA

CONVERTIDORES DC-AC APLICANDO TÉCNICAS DE

CONTROL VECTORIAL PARA EL LABORATORIO DE

ELECTRÓNICA DE POTENCIA DE LA UPS CUENCA

TESIS PREVIA A LA OBTENCIÓNDEL

TÍTULO DE INGENIERO ELECTRÓNICO

AUTORES:

Eddison de Jesús Inga Llanez

John José JuelaJuela

DIRECTOR:

Ing. Flavio Quizhpi

Cuenca – Ecuador

2013

DECLARATORIA DE RESPONSABILIDAD

Nosotros: Eddison de Jesús Inga Llanez y John José JuelaJuela, autores del trabajo

de tesis titulado: “DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE MÓDULOS PARA

CONVERTIDORES DC-AC APLICANDO TÉCNICAS DE CONTROL

VECTORIAL PARA EL LABORATORIO DE ELECTRÓNICA DE POTENCIA

DE LA UPS CUENCA” declaramos que:

Los conceptos desarrollados, análisis realizados y conclusiones del presente

trabajo, son de exclusiva responsabilidad delos autores, teniendo la Universidad

Politécnica Salesiana todo el derecho para hacer uso de la misma para fines

académicos.

Cuenca, agosto 18 2013

_________________________

Eddison de Jesús Inga Llanez

_________________________

John José Juela Juela

Ing. Flavio Quizhpi

CERTIFICA

Haber dirigido y revisado el proyecto de tesis

titulado: “DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE

MÓDULOS PARA CONVERTIDORES DC-AC

APLICANDO TÉCNICAS DE CONTROL

VECTORIAL PARA EL LABORATORIO DE

ELECTRÓNICA DE POTENCIA DE LA UPS

CUENCA”, realizado por: Eddison de Jesús Inga

Llanez y John José Juela Juela. Por cumplir con

todos los requisitos, autorizo su presentación.

Cuenca, agosto 18 2013.

______________________________

Ing. Flavio Quizhpi

I

DEDICATORIA

El presente trabajo lo dedico a mis amados padres Luis Inga y Luz Llanez por

haberme guiado en todo momento de mi vida por el sendero de la lucha y el buen

vivir, por el apoyo y confianza que me brindaron incondicionalmente día a día.

A mis hermanos Leonardo, Edgar, Elvia, Olga, Galo, Maricela, Alexandra,ya que

cada uno de ellos aportaron con un granito de arena para alcanzar los objetivos

trazados en mi camino.

De igual manera a mis tíos Segundo y Elvia los cuales me regalaron su cariño

desinteresadamente.

Eddison Inga Llanez

II

DEDICATORIA

Dedico este trabajo a Dios por ser el pilar fundamental en mi vida, a mis padres,

Julio y Rosa, a mi esposa Rosa, a mi hijo Daniel, y en general a toda mi familia y

amigos que de una u otra manera han sido mi fortaleza y mi apoyo en todo momento

y han depositado toda su confianza en mí sin dudar en ningún momento de mi

inteligencia y capacidad.

John Juela Juela

III

AGRADECIMIENTOS

Agradezco a Dios por haberme guiado durante toda mi vida siendo mi apoyo en todo

momento en especial en los más difíciles.

Agradezco a mi familia en especial a mis padres Julio y Rosa por haberme brindado

su apoyo incondicional en todos los momentos de mi vida.

Agradezco a mi esposa Rosa y a mi hijo Daniel, por su amor, por acompañarme,

darme fuerzas y ser un motivo de inspiración para la culminación de mi carrera

profesional.

Agradezco al ingeniero Flavio Quizhpi por darme su apoyo y su guía pero sobretodo

su amistad durante todo el proceso de realización del proyecto de tesis.

Agradezco a mi amigo Eddison Inga con quien hemos realizado este proyecto por

haber compartido sus conocimientos y apoyo durante el tiempo de realización.

Agradezco de manera especial a mi sobrino Fernando Corte por su apoyo.

Agradezco a los docentes y amigos que me han acompañado durante toda mi vida

estudiantil.

John Juela Juela

IV

AGRADECIMIENTOS

En primer lugar agradezco a mi Dios por regalarme la vida hasta este momento

Agradecemos a nuestro director de tesis el ingeniero Flavio Quizhpi quien supo

brindarnos su amistad y conocimientos académicos si esperar retribución alguna.

A nuestros amigos que de una manera desinteresada en una u otra forma

contribuyeron para el desarrollo de este trabajo.

Un agradecimiento especial para nuestros amigos incondicionales Tatiana

Suquilanda y Marlon Idrovo por la amistad sana y sincera que nos supieron bridar.

A todos los docentes que con sus conocimientos nos ayudaron a crecer personal y

profesional.

Eddison Inga Llanez

V

CONTENIDO

DEDICATORIA ........................................................................................................................... I

DEDICATORIA .......................................................................................................................... II

AGRADECIMIENTOS ..............................................................................................................III

AGRADECIMIENTOS .............................................................................................................. IV

CONTENIDO ............................................................................................................................. V

ÍNDICE DE TABLAS ................................................................................................................ IX

ÍNDICE DE FIGURAS ............................................................................................................... X

CAPITULO 1 ..............................................................................................................................1

1CARACTERÍSTICAS DE LOS ELEMENTOS A UTILIZAR .....................................................1

1.1Introducción ........................................................................................................................... 1

1.2Condiciones de diseño para los módulos ............................................................................... 1

1.2.1Módulos de medición de corriente………………................................................................. 1

1.2.2Módulos de medición de tensión……………… .................................................................... 2

1.2.3Módulos de transistores IGBTs………………… .................................................................. 3

1.3Descripción de los elementos a utilizar .................................................................................. 4

1.3.1Circuitos integrados comparadores….……………………………………………….…………5

1.3.2Transductor de tensión……………………………. ............................................................... 6

1.3.2.1 Principio de funcionamiento ......................................................................................... 7

1.3.3Transductor de corriente……………………. ....................................................................... 8

1.3.3.1 Principio de funcionamiento ........................................................................................... 9

1.3.4Transistor IGBT………………………………… .................................................................... 9

1.3.5PLD…………………………………………….. ..................................................................... 10

1.3.6PIC 18F2550………………………………….. ..................................................................... 11

1.3.6.1Características ................................................................................................................ 11

CAPITULO 2 ............................................................................................................................13

2TÉCNICAS DE MODULACIÓN APLICADAS A INVERSORES ...........................................13

2.1Conceptos generales ............................................................................................................. 13

2.1.1Inversores……………………………………… .................................................................... 13

2.1.2Clasificación…………………………………….. .................................................................. 13

2.1.3Parámetros a considerar en los inversores ..................................................................... 14

2.1.4Factor armónico de la enésima componente .................................................................... 14

VI

2.1.5Distorsión armónica total (THD)………………. ............................................................... 15

2.1.6Factor de distorsión (DF)……………………… ................................................................. 16

2.1.7Funcionamiento básico de un inversor ............................................................................. 16

2.2Tipos de modulaciones aplicadas a los inversores trifásicos ............................................... 17

2.2.1Modulación a 180 y 120 grados…………….. .................................................................... 17

2.2.1.1Conducción a 180 grados…………… ............................................................................ 18

2.2.1.2Conducción a 120 grados………….. .............................................................................. 19

2.2.2Modulación por ancho de pulso (PWM) ........................................................................... 20

2.2.2.1Modulación por ancho de un solo pulso ....................................................................... 20

2.2.2.2Modulación por ancho de pulsos múltiples ................................................................... 22

2.2.2.3Modulación por ancho de pulsos sinusoidal (SPWM) .................................................. 24

2.2.3Modulación de vector espacial (SVPWM) ........................................................................ 26

2.2.3.1Análisis de los niveles de tensión para cada estado de switcheo .................................. 27

2.2.3.1.1Descomposición del Voltaje de Referencia............................................................... 31

2.2.3.1.2Modos de switcheo…………………………………………………………………………. 34

CAPITULO 3 ............................................................................................................................38

3DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE LOS MÓDULOS ..............................................................38

3.1Módulo de sensores de tensión ............................................................................................ 38

3.1.1Base de metal para módulo de sensores de tensión .......................................................... 38

3.1.2Parte frontal………………………………………… ............................................................. 39

3.1.3Sensores de tensión LV-25NP y circuito de bloqueo ........................................................ 40

3.1.4Diseño y construcción del circuito impreso (PCB) .......................................................... 44

3.2Módulo de sensores de corriente .......................................................................................... 45

3.2.1Base de metal para módulo de sensores de corriente ....................................................... 45

3.2.2Parte frontal…………………………….. ............................................................................. 45

3.2.3Sensores de corriente LA-25P y circuito de bloqueo de corriente ................................... 46

3.2.4Diseño del PCB………………………… ............................................................................. 47

3.3Módulo de transistores IGBT ............................................................................................... 48

3.3.1Base de metal para módulo de transistores IGBT ............................................................ 49

3.3.2Parte frontal……………………………… ........................................................................... 49

3.3.3Circuito limitador de corriente para tarjetas de driver IGBT .......................................... 50

3.3.3.1Diseño de PCB de circuito limitador de corriente......................................................... 51

3.3.4Circuito de bloqueo de los transistores IGBT .................................................................. 51

3.3.4.1Diseño de circuito de bloqueo y programación de la GAL16V8 ................................... 52

VII

3.3.4.2Software de programación de la GAL en WinCUPL ..................................................... 53

3.3.4.2.1Funciones lógicas del software WinCUPL……………………………………………… 55

3.3.4.3PCB del circuito de boqueo con plano a tierra ............................................................. 55

3.3.4.4Drivers de los transistores IGBT……………… .............................................................. 56

3.4Generador de modulaciones ................................................................................................. 57

3.4.1Base de metal del Generador de modulaciones ................................................................ 57

3.4.2Parte frontal………………………………. .......................................................................... 58

3.4.2.1Modulación vectorial espacial…………….. ................................................................... 58

3.4.2.2Modulación PWM…………………….. ............................................................................ 58

3.4.2.3Modulación 120/180……………………. ......................................................................... 59

3.4.3Circuito y placa PCB de modulaciones ............................................................................ 60

3.5Pruebas de medición de los sensores de corriente y tensión ................................................ 63

3.5.1Pruebas a sensores de corriente……………… .................................................................. 65

3.5.1.1Rango……………………………………….. ...................................................................... 65

3.5.1.2Alcance…………………………………. ............................................................................ 65

3.5.1.3Rango sobre cero…………………………… .................................................................... 65

3.5.1.4Error de medida……………………………. ..................................................................... 65

3.5.1.5Umbral……………………………………. ........................................................................ 66

3.5.1.6Grado de incertidumbre……………….. ......................................................................... 67

3.5.1.7Precisión de referencia o tolerancia .............................................................................. 67

3.5.2Pruebas a sensores de tensión…………………. ................................................................ 67

3.5.2.1Rango…………………………………………… ................................................................. 67

3.5.2.2Alcance…………………………………. ............................................................................ 67

3.5.2.3Rango sobre cero………………………….. ...................................................................... 67

3.5.2.4Error de medida……………………….. ........................................................................... 67

3.5.2.5Umbral………………………………….. ........................................................................... 69

3.6Modulación vectorial espacial.............................................................................................. 69

3.6.1Modulación de vectores fundamentales ............................................................................ 69

3.6.1.1Programación de modulación fundamental ................................................................... 70

3.6.2Modulación vectorial espacial de 6 vectores .................................................................... 72

3.6.2.1Programación de modulación a 6 vectores ................................................................... 73

3.6.3Modulación vectorial espacial de 12 vectores .................................................................. 75

3.6.3.1Programación de modulación a 12 vectores ................................................................. 76

3.6.4Modulación vectorial espacial de 18 vectores .................................................................. 79

VIII

3.6.4.1Programación de modulación a 18 vectores ................................................................. 79

3.7Modulación PWM ................................................................................................................ 83

3.8Modulación a 120/180.......................................................................................................... 85

3.8.1Modulación a 120 grados……………………. .................................................................... 85

3.8.2Modulación a 180 grados:………………….. ..................................................................... 87

3.9Pruebas ................................................................................................................................. 88

Conclusiones y Recomendaciones.............................................................................................93

bibliografía ................................................................................................................................97

IX

ÍNDICE DE TABLAS

Tabla 1.1 Osciladores para el PIC 18F2550 [8] .....................................................................12

Tabla 2.1 Tabla de switcheo .....................................................................................................27

Tabla 2.2 Niveles de voltaje ......................................................................................................30

Tabla 3.1.Descripción de operadores en WinCUPL [11] ........................................................55

Tabla 3.2.Operadores aritméticos [11] ....................................................................................55

Tabla 3.3. Operadores aritméticos [11] ...................................................................................55

Tabla 3.4.Mediciones de corriente ...........................................................................................65

Tabla 3.5. Medidas de tensión ..................................................................................................68

Tabla 3.6. Secuencia de switcheo de los transistores IGBT .....................................................69

Tabla 3.7. Orden de conmutación de los transistores para la modulación a 120° ..................85

Tabla 3.8. Orden de conmutación de los transistores para la modulación a 180° ..................87

X

ÍNDICE DE FIGURAS

Figura 1.1. Diagrama de bloques para el módulo de medición de corriente .............................1

Figura 1.2. Diagrama de bloques para el módulo de medición de tensión ................................2

Figura 1.3. Diagrama de bloques para módulo de transistores IGBTs .....................................3

Figura 1.4. Vista exterior del amplificador operacional LM324 ...............................................5

Figura 1.5. Disposición de pines del integrado [1] ....................................................................5

Figura 1.6. Respuesta del amplificador operacional LM324 [1] ...............................................6

Figura 1.7. Diagrama de conexión del transductor de tensión LV25-P [2]...............................6

Figura 1.8. Aspecto físico del transductor LV25-P ....................................................................7

Figura 1.9. Principio de funcionamiento del sensor LV25-P [3] ...............................................8

Figura 1.10. Diagrama de conexión del transductor de corriente LA25-NP [4] .......................8

Figura 1.11. Aspecto físico del transductor LA25-NP ................................................................9

Figura 1.12. Aspecto físico transistor IGBT ...............................................................................9

Figura 1.13. Aspecto físico GAL 16V8 .....................................................................................10

Figura 1.14. Disposición de pines para GAL 16V8 en sus diferentes encapsulados [6] .........11

Figura 1.15. Disposición de pines para el PIC 18F2250 [7] ...................................................11

Figura 2.1.Diagrama de bloques de un inversor dc-ac ............................................................13

Figura 2.2.Inversor en medio puente ........................................................................................17

Figura 2.3.Inversor trifásico .....................................................................................................18

Figura 2.1.Formas de onda para conducción a 180 grados ....................................................18

Figura 2.5.Formas de onda para conducción a 120 grados ....................................................19

Figura 2.6. Modulación por ancho de un solo pulso ................................................................21

Figura 2.7. Modulación por ancho de pulsos múltiples ...........................................................22

Figura 2.8. Modulación por ancho de pulsos múltiples a mayor frecuencia en la señal

portadora ..................................................................................................................23

Figura 2.9. Modulación por ancho de pulsos sinusoidal .........................................................24

Figura 2.10. Modulación por ancho de pulsos sinusoidal ......................................25

Figura 2.11. Modulación por ancho de pulsos sinusoidal ......................................25

Figura 2.12. Modulación por ancho de pulsos sinusoidal con portadora bidireccional .........26

Figura 2.13. Circuito para modulación vectorial trifásica ......................................................26

Figura 2.14. Circuito resultante caso 1 ....................................................................................28

XI

Figura 2.15. Circuito resultante caso 3 ....................................................................................29

Figura 2.16. Vectores de modulación [10] ...............................................................................31

Figura 2.17. Descomposición del vector ..................................................................................32

Figura 2.18. Ubicación de los vectores en el espacio[10] .......................................................33

Figura 2.19. Sector 0° a 60° [10] .............................................................................................34

Figura 2.20. Sector 60° a 120° [10] .........................................................................................35

Figura 2.21. Sector 120° a 180° [10] .......................................................................................35

Figura 2.22. Sector 180° a 240° [10] .......................................................................................36

Figura 2.23. Sector 240° a 300° [10] .......................................................................................36

Figura 2.24. Sector 300° a 360° [10] .......................................................................................37

Figura 3.1. Base metálica según Lab-volt para módulo de sensores de tensión ......................38

Figura 3.2. Parte frontal del módulo de sensores de tensión ...................................................39

Figura 3.3. Sensor LV-25NP en Altium ....................................................................................40

Figura 3.4. Circuito rectificador de onda completa .................................................................40

Figura 3.5. Circuito amplificador de tensión ...........................................................................42

Figura 3.6. Circuito comparador de tensión y generador de bit ..............................................43

Figura 3.7. Circuito partidor de tensión ...................................................................................43

Figura 3.8. Cara inferior del circuito impreso de sensores de tensión ....................................44

Figura 3.9. Cara superior del circuito impreso de sensores de tensión con plano a tierra .....44

Figura 3.10. Cara superior del circuito impreso de sensores de tensión con plano ................45

Figura 3.11. Parte frontal del módulo de sensores de corriente ..............................................46

Figura 3.12. Circuito en Altium del sensor LA-25P .................................................................47

Figura 3.13. Cara inferior del circuito impreso de sensores de corriente ...............................47

Figura 3.14. Cara superior del circuito impreso de sensores de corriente con plano a tierra 48

Figura 3.15. Esquema de interconexión de los módulos ..........................................................48

Figura 3.16. Parte frontal de módulo de transistores IGBT ....................................................50

Figura 3.17.Circuito limitador de corriente .............................................................................50

Figura 3.18. PCB del circuito limitador de corriente ..............................................................51

Figura 3.19. Circuito de GAL16V8 para bloqueo de IGBT .....................................................52

Figura 3.20. PCB del circuito de bloqueo ................................................................................56

Figura 3.21. Disipador de calor transistor IGBT .....................................................................56

Figura 3.22. Driver para transistores IGBT [12].....................................................................57

Figura 3.23. Parte frontal del generador de modulaciones .....................................................59

XII

Figura 3.24. Comportamiento de un pulsante al accionamiento [13] .....................................61

Figura 3.25. Circuito generador de modulación 120/180 ........................................................62

Figura 3.26. Circuito generador de modulación vectorial espacial ........................................62

Figura 3.27. Circuito generador de modulación PWM ............................................................62

Figura 3.28. Parte superior del circuito impreso del generador de modulaciones .................63

Figura 3.29. Parte inferior del circuito impreso del generador de modulaciones ...................63

Figura 3.30. Sonda de corriente vs sensor de corriente ...........................................................66

Figura 3.31. Sonda de tensión vs sensor de tensión .................................................................69

Figura 3.32. Señal de disparo para vectores fundamentales....................................................71

Figura 3.33. Señal de tensión fase-fase y fase-neutro con vectores fundamentales .................72

Figura 3.34. Señales de corriente con vectores fundamentales ...............................................72

Figura 3.35. Ubicación de 6 vectores nuevos ...........................................................................73

Figura 3.36. Señales de switcheo para modulación de 6 vectores ...........................................74

Figura 3.37. Señal de tensión fase-fase y fase-neutro con 6 vectores ......................................75

Figura 3.38. Señales de corriente a 6 vectores .........................................................................75

Figura 3.39. Ubicación de los 12 vectores nuevos ...................................................................76

Figura 3.40. Señales de switcheo para modulación de 12 vectores .........................................78

Figura 3.41. Señal de tensión fase-fase y fase-neutro con 12 vectores ....................................78

Figura 3.42. Señales de corriente a 12 vectores .......................................................................78

Figura 3.43. Ubicación de los 18 vectores nuevos ...................................................................79

Figura 3.44. Señal de switcheo para modulación de 18 vectores ............................................82

Figura 3.45. Señal de tensión fase-fase y fase-neutro con 18 vectores ....................................82

Figura 3.46. Señales de corriente a 18 vectores .......................................................................83

Figura 3.47. Generación de pulsos mediante la comparación de señales ...............................83

Figura 3.48. Niveles de voltaje para la activación de los transistores.....................................84

Figura 3.49. Voltaje fase-fase del circuito de modulación PWM .............................................84

Figura 3.50. Voltaje fase-neutro del circuito de modulación PWM .........................................85

Figura 3.51. Voltaje fase-fase de un inversor con modulación a 120 grados ..........................86

Figura 3.52. Voltaje fase-neutro de un inversor con modulación a 120 grados ......................86

Figura 3.53. Voltaje fase-fase de un inversor con modulación a 180 grados ..........................87

Figura 3.54. Voltaje fase-neutro de un inversor con modulación a 180 grados ......................88

Figura 3.55. Diagrama de conexión de módulos ......................................................................89

Figura 3.56. Señal de switcheo para modulación de vectores fundamentales reales ..............89

XIII

Figura 3.57. Señales de switcheo para modulación de 6 vectores reales ................................90

Figura 3.58. Tensión fase-fase de modulación de vectores fundamentales reales ...................90

Figura 3.58. Tensión fase-fase de modulación de 6 vectores reales ........................................91

Figura 3.59. Tensión fase-fase de modulación de 12 vectores real..........................................91

Figura 3.60. Tensión fase-fase de modulación con conducción a 120 grados .........................92

Figura 3.61. Tensión fase-fasede modulación con conducción a 180 grados ..........................92

1

CAPITULO 1

1 CARACTERÍSTICAS DE LOS ELEMENTOS A UTILIZAR

1.1 Introducción

Para determinar todos los elementos que se van a utilizar en el desarrollo

de este proyecto se debe tener en cuenta que los diferentes módulos que se van a

construir estén debidamente protegidos, cumplan con las especificaciones de diseño

requeridas y con las posibilidades de consecución en el mercado.

1.2 Condiciones de diseño para los módulos

1.2.1 Módulos de medición de corriente

1. Corriente máxima de medición 15 Amperios en Iac, Idc y Vrms.

2. Cuatro canales de medición acoplables a entrada BNC.

3. Protección contra sobre corriente.

Para estas condiciones de diseño se establece el diagrama de bloques de la figura 1.1.

Transductor de corriente

Ingreso de corriente

Salidas de medición

Circuito comparador.

Salidas de aviso de

exceso de corriente

Figura 1.1. Diagrama de bloques para el módulo de medición de corriente

2

De acuerdo al diagrama de bloques que se muestra en la figura 1.1el módulo de

medición de corriente va a tener 4 entradas y 4 salidas analógicas.

Las 4 entradas van a permitir medir 4 señales o valores diferentes de corriente, cada

una de estas van a tener su respectiva salida que podrán ser conectadas directamente

hacia un osciloscopio para poder ser cuantificadas, cada salida va ser independiente

de la otra (salidas aisladas galvánicamente).

También se tendrá un circuito comparador que dará una señal sólo si existiera un

exceso en el valor máximo de medición, esto evitará que se dañe el circuito

transductor de corriente y protegerá a la carga en donde se esté realizando la

medición.

1.2.2 Módulos de medición de tensión

1. Voltaje máximo a medir 250 Vca, Vdc y rms.

2. Cuatro canales de medición acoplables a entrada BNC.

3. Protección contra sobretensión.

Para estas condiciones de diseño se establece el diagrama de bloques de la figura 1.2.

Transductor de voltaje

Ingreso de voltaje

Salidas de medición

Circuito comparador.

Salidas de aviso de

exceso de voltaje

Figura 1.2. Diagrama de bloques para el módulo de medición de tensión

3

El módulo de medición de tensión va a tener 4 entradas y 4 salidas analógicas.

Las 4 entradas permiten medir 4 señales o valores diferentes de voltaje, cada una de

estas tienen su respectiva salida que podrán ser conectadas directamente hacia un

osciloscopio para poder ser cuantificadas, cada salida será independiente de la otra

(aisladas galvánicamente).

También se tendrá un circuito comparador que avisará si existe un exceso en el valor

máximo posible de medición para evitar que se dañe el circuito transductor de voltaje

y proteja a la carga en donde se esté realizando la medición.

1.2.3 Módulos de transistores IGBTs

1. El módulo tiene la capacidad para armar inversores de corriente continua a

corriente alterna, puente tetrafásico, puente H, inversor trifásico.

2. Los IGBTs no pueden tener niveles lógicos de 0 (cero lógico) al mismo

tiempo en sus pulsos de disparo.

3. La corriente para cada driver de los IGBTs no debe exceder de los 150mA.

4. Si se produce un exceso de corriente en la carga del inversor se bloquea todo

el módulo de transistores IGBTs.

5. Si se produce un exceso de voltaje en la carga del inversor se bloquea todo el

módulo de transistores IGBTs.

Circuito de control

Regulador de corriente

Drivers IGBTs

SensoresCorriente-

Tensión

Figura 1.3. Diagrama de bloques para módulo de transistores IGBTs

4

Como se puede apreciar en la figura 1.3, este módulo va a poseer 4 bloques que se

explican a continuación:

Circuito de control: este circuito va a ser capaz de controlar niveles

lógicos indeseados y va a proteger el módulo contra excesos de voltaje y

corriente.

Regulador de corriente: como ya se estableció las condiciones de diseño

los drivers no pueden exceder de 150mA de corriente por cada uno, este

bloque permitirá controlar este parámetro.

Drivers: En este bloque irán colocados los drivers para cada IGBT.

IGBTs: Serán colocados los IGBTs con sus respectivas entradas y salidas de

potencia.

Sensores corriente-tensión: se encargan de las mediciones de dichos

parámetros el cual servirá para generar los diferentes niveles lógicos que

serán tomados por el circuito de control.

1.3 Descripción de los elementos a utilizar

De todas las descripciones anteriores se puede concluir que para realizar

los módulos se van a utilizar los siguientes componentes:

Circuitos integrados comparadores.

Transductores de tensión.

Transductores de corriente.

IGBTs.

PLD

PIC18F2550

PC 817

A continuación se realiza una descripción detallada de cada uno de estos

componentes.

5

1.3.1 Circuitos integrados comparadores

Para realizar la comparación se utilizará el circuito integrado LM324, el

cual contiene cuatro amplificadores operacionales.

Figura 1.4. Vista exterior del amplificador operacional LM324

La disposición de los pines se tomó de la hoja de datos del componente.

Figura 1.5. Disposición de pines del integrado [1]

La característica más importante de este integrado para la realización de

comparadores es su tiempo de respuesta al cambio de nivel de tensión, esta

característica se puede observar en la figura 1.6:

6

Figura 1.6. Respuesta del amplificador operacional LM324 [1]

Se puede apreciar que la señal de salida responde rápidamente ante una variación de

la entrada se observa que la señal demora 5 µs hasta llegar al valor requerido, tanto

en el flanco de subida como de bajada.

Además este integrado ofrece un bajo consumo de energía, con un consumo de

corriente muy bajo de 700µA independiente de la alimentación que se esté dando,

también ofrece muy baja corriente de polarización de entrada 45nA exactamente. Se

puede alimentar con tensiones desde 3 hasta 32 voltios y en alimentación doble de

+/- 15 hasta +/-16 voltios.

1.3.2 Transductor de tensión

El transductor de tensión utilizado es el LEM LV 25-P [2], es un sensor de

tipo Hall, en la figura 1.7 se muestra el diagrama de conexión:

Figura 1.7. Diagrama de conexión del transductor de tensión LV25-P [2]

7

La nomenclatura de los terminales se describe a continuación:

Terminal +: Voltaje de alimentación + 12….15 V.

Terminal M: Medida.

Terminal -: Voltaje de alimentación - 12….15 V

Las características principales de este dispositivo son:

Altura total: 16.45 mm

Precisión: +/- 0,9 %

Profundidad total: 29.2 mm

Rango de corriente de entrada: 0 a 14mA

Rango de corriente de salida 25mA

Temperatura de funcionamiento máxima + 70 C

Figura 1.8. Aspecto físico del transductor LV25-P

1.3.2.1 Principio de funcionamiento

Como se muestra en la figura 1.9, una resistencia (R1) que toma el voltaje a

medir se conecta en serie con la bobina primaria que tiene internamente el

dispositivo, y se crea un flujo magnético en el primario por la circulación de

corriente que se equilibra con un flujo complementario producido por conducción de

una corriente a través de los devanados secundarios. La tensión en el secundario es

una representación exacta del voltaje en el primario dependiendo de la relación con

la que esté construido el dispositivo [3].

8

Figura 1.9. Principio de funcionamiento del sensor LV25-P [3]

1.3.3 Transductor de corriente

El transductor de corriente utilizado es LEM LA 25-NP[4], es un sensor

de tipo Hall, tiene el siguiente diagrama de conexión.

Figura 1.10. Diagrama de conexión del transductor de corriente LA25-NP [4]

La nomenclatura de los terminales se describe a continuación:

Terminal +: Voltaje de alimentación + 12….15 V.

Terminal M: Medida.

Terminal -: Voltaje de alimentación - 12….15 V


Altura total: 16.45 mm

Precisión: +/- 0,5 %

Profundidad total: 26 mm

Rango de corriente de entrada: 0 a 25A

9

Rango de corriente de salida 25 mA

Temperatura de funcionamiento mínima - 40 C

Figura 1.11. Aspecto físico del transductor LA25-NP

1.3.3.1 Principio de funcionamiento

El flujo magnético creado por la (corriente primaria) es equilibrado por un

flujo complementario producido por la conducción de una corriente a través de los

devanados secundarios. Un dispositivo de pasillo y el circuito electrónico asociado se

utilizan para generar la corriente secundaria (de compensación) que es una

representación exacta de la corriente primaria [5].

1.3.4 Transistor IGBT

El transistor IGBT (insolated gate bipolar), es un transistor bipolar de puerta

de salida, diseñado específicamente para controlar altas potencias a altas velocidades,

su diseño consta de un transistor BJT y un transistor MOSFET reuniendo las mejores

características de los dos.

El transistor IGBT que se va a usar es el CM100DY-24H, se muestra en la figura

1.12.

Figura 1.12. Aspecto físico transistor IGBT

10


Voltaje colector-emisor (VCES): 1200 VCD

Voltaje compuerta-base (VGES): +/- 20 VCD

Corriente de colector (IC): 100 Amp

Pico de corriente de colector (ICM): 200 Amp

Corriente de emisor (IE): 100 Amp

Pico de corriente de emisor (IEM): 200 Amp

Potencia de disipación (Pc): 780 Watts.

1.3.5 PLD

El dispositivo lógico programable (PLD) a utilizar es la GAL 16V8a, este

dispositivo realiza la ejecución de la instrucciones de manera paralela. Está

compuesto de 10 entradas y 8 salidas que también pueden funcionar como

entradas dependiendo de la necesidad.

Los pines 1 y 11 son usados como la entrada para la señal de reloj y la

habilitación de las salidas.

Permite hacer reset síncrono o asíncrono y si fuese necesario también permite

realizar una retroalimentación de las salidas a las entradas.

Figura 1.13. Aspecto físico GAL 16V8

La GAL16V8a tiene 3,5ns máximo tiempo de retardo de propagación,

combinaun proceso de alto rendimiento con CMOS eléctricamente borrable y

regrabable. Su fabricante garantiza una duración de 20 años en la retención de

datos, es decir garantiza que en ese tiempo el programa va a estar en el

dispositivo sin borrarse.

11

Figura 1.14. Disposición de pines para GAL 16V8 en sus diferentes

encapsulados [6]

1.3.6 PIC 18F2550

1.3.6.1 Características

La disposición de los pines del PIC 18F2550 se muestra en la figura 1.15.

Figura 1.15. Disposición de pines para el PIC 18F2250 [7]

12

Entre las características más relevantes de este microcontrolador están:

comunicación USB, tiene una mayor capacidad de memoria que los de la gama de

16fxx.

Otras características de este microcontrolador son:

USB V2.0, Velocidad Baja 1.5 Mb/s y máxima velocidad 12 Mb/s

Oscilador externo hasta 48MHz y oscilador interno seleccionable 31KHz a

8MHz

Memoria flash de 32 Kb

10 Canales A/D de 10 Bit

Conectividad SPI, I2C, EAUSART

19 Interrupciones

2 PWM, 2 Comparadores

Timer de 8/16 bit

Voltaje de Operación 2.0V a 5.5V

Encapsulado PDIP de 28 Pines

Un dato importante para la velocidad del microcontrolador es la colocación del

oscilador externo, con un oscilador de mayor frecuencia se obtiene mayor velocidad

del microcontrolador, la tabla 1.1 muestra los diferentes tipos de osciladores que se

pueden usar.

Tabla 1.1 Osciladores para el PIC 18F2550 [8]

13

CAPITULO 2

2 TÉCNICAS DE MODULACIÓN APLICADAS A

INVERSORES

2.1 Conceptos generales

2.1.1 Inversores

Un inversor genera tensión alterna a partir de tensión continua, además

dependiendo de la modulación se puede variar la frecuencia. El voltaje de salida

puede ser fijo o variable a una frecuencia fija o variable, el voltaje de continua puede

ser un banco de baterías, celdas solares u otras fuentes de corriente continua como

generadores.

Las formas de onda de salida del inversor idealmente debería ser sinusoidal, sin

embargo en la práctica contienen armónicos en las frecuencias de salida. En

inversores de pequeña potencia, el voltaje de salida es onda cuadrada o similar y para

altas potencias se requieren ondas sinusoidales y con poca distorsión.

Los dispositivos para conmutación pueden ser BJT, MOSFET, IGBTs.

Figura 2.1.Diagrama de bloques de un inversor dc-ac

2.1.2 Clasificación

Se puede clasificar a los inversores en 3 grandes grupos, primero por su

topología, su funcionamiento, y por la forma de su onda de salida.

14

- Por su topología:

Monofásicas: Que pueden ser en Medio Puente, Puente Completo, Push-Pull

Trifásicas: Puente Trifásico

- Por su funcionamiento:

Fuente de tensión.

Fuente de corriente.

- Por su onda de salida:

Variación de tensión de entrada.

Variación del ancho de impulso.

Modulación del ancho de pulso: Pulso único, Pulsos Múltiples, sinusoidal ya

sea en conmutación de tensión unipolar o bipolar.

2.1.3 Parámetros a considerar en los inversores

Como ya se ha mencionado los inversores a la salida tienen armónicos, la

calidad o su rendimiento se mide dependiendo de la cantidad de armónicos que hay

en la salida.

Escoger el tipo de modulación determinará el valor de la componente fundamental

así como los valores de los diferentes armónicos, además en aplicaciones

industriales, se necesita un control de la tensión de salida del inversor para hacer

frente a las variaciones de la entrada dc, o para mantener la constante relación

voltios/frecuencia.

2.1.4 Factor armónico de la enésima componente

Representa una medida de la contribución de cada armónico y se define por la

ecuación 2.1 [9]:

15

Dónde:

Von: Componente eficaz de enésimo orden

Vo1: Valor eficaz de la componente fundamental

2.1.5 Distorsión armónica total (THD)

Es la tasa de distorsión armónica global. Este valor es usado para definir la

importancia del contenido armónico de una señal. Para una señal de voltaje, el THD

se calcula por la ecuación 2.2.

√

Y para la corriente se calcula con la ecuación 2.3.

√

La siguiente ecuación es equivalente a la anterior pero es más fácil y directa de usar:

√

Para armónicos individuales:

16

2.1.6 Factor de distorsión (DF)

El THD indica el contenido armónico total pero no indica el nivel da cada

uno de sus componentes, el DF indica la cantidad de distorsión armónica que queda

en una forma de onda particular después de que las armónicas de esa forma de onda

sean sujetas a una atenuación de segundo orden. Puesto en otras palabras el DF es

una medida de la eficacia en la reducción de componentes armónicas no deseadas.

√ ∑ (

)

Y para calcular el factor de distorsión de una componente individual se tienen la

ecuación 2.7.

Los convertidores introducen los armónicos al sistema de corriente alterna debido a

la operación de los elementos que lo componen, es decir al abrir y cerrar los

transistores o tiristores que componen el inversor.

2.1.7 Funcionamiento básico de un inversor

Para entender mejor el funcionamiento de un inversor vamos a describir

brevemente el comportamiento de un inversor en medio puente representado en el

esquema de la figura 2.2:

17

Figura 2.2.Inversor en medio puente

Funcionamiento: En la gráfica podemos observar que este inversor tiene dos

transistores, cuando conduce Q1, el voltaje que parece en la carga es la mitad del

voltaje de alimentación y si conduce Q2 durante la siguiente mitad del periodo el

voltaje en la carga es la mitad del voltaje de alimentación con signo negativo. Para

evitar cortocircuitos los dos transistores no pueden conducir al mismo tiempo.

La técnica de que se estudiará en este capítulo es la modulación por ancho de pulso

(PWM) que es una de las técnicas más eficientes para controlar la ganancia.

2.2 Tipos de modulaciones aplicadas a los inversores trifásicos

2.2.1 Modulación a 180 y 120 grados

Un inversor trifásico básicamente consta de seis transistores conectados como

en la figura 2.3, en este esquema se pueden aplicar 2 diferentes tipos de señales de

18

control a los transistores por el intervalo de conducción de cada transistor, que puede

ser conducción a 180 grados o a 120 grados.

Figura 2.3.Inversor trifásico

2.2.1.1 Conducción a 180 grados

En este tipo de conducción siempre tienen que conducir 3 transistores a la vez

como se observa en la figura 2.4.

Figura 2.1.Formas de onda para conducción a 180 grados

19

2.2.1.2 Conducción a 120 grados

En este tipo de conducción siempre tienen que conducir 2 transistores a la

vez, ver figura 2.5.

Figura 2.5.Formas de onda para conducción a 120 grados

Los valores de voltaje generados por este inversor para cada uno de los métodos de

conducción, tomados de Rashid(2003) [18], son los siguientes:

- Conducción a 180 grados:

√

- Conducción a 120 grados:

20

2.2.2 Modulación por ancho de pulso (PWM)

En aplicaciones de carácter industrial se tiene la necesidad de modificar

diferentes parámetros por los siguientes motivos:

- Controlar las variaciones de voltaje de entrada

- Regular el voltaje de salida

- Control de voltaje y frecuencia

- Mantener constante la relación entre tensión y frecuencia

Paro todo lo antes mencionado el método más eficiente para lograr cumplir estos

requerimientos es la modulación por ancho de pulso (PWM).Este tipo de modulación

se realiza mediante la comparación de dos señales, la primera es una señal

moduladora y la otra es la de referencia, de esta manera se obtiene una señal

cuadrada con un ancho de pulsos variable en función de las señales que la generan.

Los métodos más utilizados son:

1. Modulación por ancho de un solo pulso.

2. Modulación por ancho de pulsos múltiples.

3. Modulación por ancho de pulso sinusoidal.

4. Modulación por ancho de pulso sinusoidal modificado.

5. Control por desplazamiento de fase.

2.2.2.1 Modulación por ancho de un solo pulso

Esta modulación consiste en que por cada semiciclo se debe generar un solo

pulso. A continuación se muestran la generación de las señales de modulación

mediante la comparación de una señal triangular que es la portadora de amplitud Ac

con una señal rectangular de referencia con amplitud Ar y el voltaje de salida para

un inversor en puente completo.

21

Figura 2.6. Modulación por ancho de un solo pulso

La frecuencia de la tensión de salida la determina la frecuencia de la señal de

referencia y variando Ar desde 0 hasta Ac conseguimos variar el ancho de pulso

desde 0 hasta 180 grados.

El índice de modulación viene determinado por la ecuación 2.12.

Dónde:

Ar: Amplitud de la onda rectangular o de referencia

Ac: Amplitud de la onda portadora triangular

La señal de salida se puede expresar mediante la serie de Fourier expresada en la

ecuación 2.13.

0 0.5 1 1.5 2 2.5-2

0

2

Tiempo

Am

plit

ud

Comparacion de señales

0 0.5 1 1.5 2 2.5-2

0

2

Tiempo

Am

plit

ud

Señales de modulacion

0 0.5 1 1.5 2 2.5-2

0

2

Tiempo

Am

plit

ud

Señal de salida

22

∑

∑

Partiendo de la ecuación 2.13se puede obtener los valores de los armónicos y de la

distorsión.

2.2.2.2 Modulación por ancho de pulsos múltiples

Esta modulación se logra al generar mayor cantidad de pulsos por cada

semiciclo, la figura 2.7 muestra las señales necesarias para esta modulación.

Figura 2.7. Modulación por ancho de pulsos múltiples

Como en el caso anterior la frecuencia de la señal de referencia establece la

frecuencia del voltaje de la señal de salida y la frecuencia de la señal portadora

determina el número de pulsos que se generan por cada semiciclo, para entender

mejor lo antes mencionado la figura 2.8 muestra una mayor generación de pulso al

colocar una mayor frecuencia en la señal portadora o triangular.

0 0.5 1 1.5 2 2.5-2

0

2

Tiempo

Am

plit

ud


0 0.5 1 1.5 2 2.5-2

0

2

Tiempo

Am

plit

ud


0 0.5 1 1.5 2 2.5-2

0

2

Tiempo

Am

plit

ud

Señal de salida

23

Figura 2.8. Modulación por ancho de pulsos múltiples a mayor frecuencia en la

señal portadora

El índice de modulación controla el voltaje de salida y la cantidad de pulsos por

semiciclo, está determinado por la ecuación 2.14.

Dónde:

: Frecuencia de la señal de referencia

: Frecuencia de la señal portadora

: Relación de modulación de frecuencia

Ejemplo:

De la gráfica 2.8:

0 0.5 1 1.5 2 2.5-2

0

2

Tiempo

Am

plit

ud


0 0.5 1 1.5 2 2.5-2

0

2

Tiempo

Am

plit

ud


0 0.5 1 1.5 2 2.5-2

0

2

Tiempo

Am

plit

ud

Señal de salida

24

2.2.2.3 Modulación por ancho de pulsos sinusoidal (SPWM)

Mediante este método se puede disminuir considerablemente el factor de

distorsión armónica, este método varía el ancho de pulso en proporción con la

amplitud de la onda sinusoidal evaluada.

Las señales de control se generan comparando la señal de referencia sinusoidal con

una portadora triangular con frecuencia .

Figura 2.9. Modulación por ancho de pulsos sinusoidal

El número de pulsos por semiciclo depende de la frecuencia de la portadora. La

frecuencia de salida la determina la frecuencia de la señal de referencia y la amplitud

de la misma controla el índice de modulación m y por consiguiente el voltaje

rms de salida.

0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45 0.5-5

0

5

Tiempo

Am

plit

ud

Senal triangular

0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45 0.5-5

0

5

Tiempo

Am

plit

ud

senal de mensaje

0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45 0.5-1

-0.5

0

0.5

1

Tiempo

Am

plit

ud

Senal PWM

25



Dónde:

Frecuencia de la onda triangular o de portadora

Frecuencia de la onda sinusoidal.

En las figuras 2.10, 2.11 se puede apreciar que la señal portadora es bidireccional lo

que quiere decir que su amplitud variará de A a –A.

0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45 0.5-5

0

5

Tiempo

Am

plit

ud

Senal triangular

0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45 0.5-5

0

5

Tiempo

Am

plit

ud

senal de mensaje

0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45 0.5-1

-0.5

0

0.5

1

Tiempo

Am

plit

ud

Senal PWM

0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25-5

0

5

Tiempo

Am

plit

ud

Senal triangular

0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25-5

0

5

Tiempo

Am

plit

ud

senal de mensaje

0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25-1

-0.5

0

0.5

1

Tiempo

Am

plit

ud

Senal PWM

26

También hay la posibilidad de generar las señales anteriores mediante el uso de una

onda portadora triangular unidireccional como se muestra en la figura 2.12.

Figura 2.12. Modulación por ancho de pulsos sinusoidal con portadora

bidireccional

2.2.3 Modulación de vector espacial (SVPWM)

Este tipo de modulaciones trifásica son empleadas para generar los valores de

voltaje requeridos por una carga equilibrada tal como se muerta en la figura 2.13.

Figura 2.13. Circuito para modulación vectorial trifásica

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2-2

0

2

Tiempo

Am

plit

ud

Senal triangular

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1-1

0

1

Tiempo

Am

plit

ud

senal de mensaje

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 20

0.5

1

Tiempo

Am

plit

ud

Senal PWM

27

En SA se aplica la secuencia de pulsos para generar la fase A, SB la secuencia de

pulsos que se aplicará al interruptor desfasado 120° con respecto a SA, SC de igual

forma es la sucesión de pulsos aplicada al interruptor con un desfase de 120° con

respecto de SB.

, ,son la secuencia de pulsos negados de SA, SB y SC respectivamente para

evitar un cortocircuito ya que en ningún instante se pueden cerrar al mismo tiempo

SA con de igual forma se da para el resto de interruptores.

Al tener tres interruptores el máximo número de combinaciones que podemos

obtener son 8 tomando en cuenta el estado (0,0,0) y (1,1,1).

Como el sistema que se está analizando es equilibrado, las cargas R1=R2=R3=R.

2.2.3.1 Análisis de los niveles de tensión para cada estado de switcheo

En la siguiente tabla se presenta cada una de las combinaciones de switcheo.

SC SB SA

caso 0 0 0 0

caso 1 0 0 1

caso 2 0 1 0

caso 3 0 1 1

caso 4 1 0 0

caso 5 1 0 1

caso 6 1 1 0

caso 0 1 1 1

Tabla 2.1 Tabla de switcheo

Caso 0

En este caso todos los switches estas en 0 o abiertos por lo que el nivel de voltaje

, de la misma manera cuando todos los switches están en 1 no

existe diferencia de potencia ya que todos están a un nivel de tensión.

28

Caso 1

Para este caso el circuito resultante está dada por la figura 2.14, el cálculo de Van se

obtiene si aplicamos un partidor de tensión.

Figura 2.14. Circuito resultante caso 1

(

)

(

)

En vista que esta en paralelo con

Caso 2

Como se puede ver, el segundo caso es similar al primero con la diferencia que se

cierra SB=1 en lugar de SA, por lo tanto.

29

y

Caso 3

Para este caso nuestro circuito resultante queda de la siguiente manera.

Figura 2.15. Circuito resultante caso 3

(

)

(

)

Caso 4

De igual forma que en el caso 1 y 2 solo se cierra un switch a la vez por lo cual:

y

30

Caso 5

Este caso es similar al caso 3 por lo tanto los voltajes de salida son:

Caso 6

En la tabla 2.2 se resume todos los posibles niveles de voltajes que se obtiene al

momento de la modulación.

caso 0 caso 1 caso 2 caso 3 caso 4 caso 5 caso 6

Van 0 2Vcc/3 -Vcc/3 Vcc/3 -Vcc/3 Vcc/3 -2Vcc/3

Vbn 0 -Vcc/3 2Vcc/3 Vcc/3 -Vcc/3 -2Vcc/3 Vcc/3

Vcn 0 -Vcc/3 -Vcc/3 -2Vcc/3 2Vcc/3 Vcc/3 Vcc/3

Vab 0 Vcc -Vcc 0 0 Vcc -Vcc

Vbc 0 0 Vcc Vcc -Vcc -Vcc 0

Vca 0 -Vcc 0 -Vcc Vcc 0 Vcc

Tabla 2.2 Niveles de voltaje

Luego de haber analizado los 8 casos se grafican de tal forma que los valores

diferentes de ceros y unos formen las puntas de un hexágono y los casos (0,0,0),

(1,1,1) sean el centro de dicho hexágono ya que sus valores de tensión son cero.

31

La magnitud de los vectores está dada por el valor de con el que se va a realizar

la modulación y el ángulo entre vectores es de 60° para tener un espaciamiento

simétrico entre los 6 vectores fundamentales.

El , es el radio máximo de una circunferencia que se puede inscribir en el

hexágono.

Figura 2.16. Vectores de modulación [10]

2.2.3.1.1 Descomposición del Voltaje de Referencia

Tomado del Ingeniero Darío E. Rodas [10] Dependiendo del sector en que el voltaje

de referencia esté, se escogen 2 vectores adyacentes para su descomposición. Para

reproducir un voltaje de referencia determinado, se ubica el sector en que se

encuentra, y los 2 vectores adyacentes que lo delimitan, estos 2 vectores se

“ponderan” según el período T de muestreo para producir el voltaje deseado. Es

decir: Vout se descompone en 2 vectores a lo largo de los vectores base que

delimitan el sector donde se encuentra, como sigue:

32

Figura 2.17. Descomposición del vector

Aplicando conceptos de valor promedio en un período , se expresa en la

ecuación 2.31.

De la ecuación 2.31 se puede deducir:

El periodo es el resultado de la división de la unidad para frecuencia a la que

se va a generar la tensión de salida y por el número de vectores que se desean

generar.

Dónde:

: es la frecuencia a la cual se genera la tensión de salida del convertidor

trifásico

: es el número de vectores que se va a generar a lo largo de los 360°

33

De esta manera seaseguraque el valor medio deseado es igual al valor medio

combinado y que la frecuencia generada en la modulación sea igual a la deseada.

Figura 2.18. Ubicación de los vectores en el espacio [10]

Como el máximo radio es 0,866Vcc y el vector es giratorio la máxima tensión que se

puede obtener es de 0,866Vcc.

Las ecuaciones que se presentan a continuación son el resultado de realizar la

transformación de ejes α-β, tomado de Ingeniero Darío E. Rodas [10].

[ ]

Dónde:

: es el tiempo en segundos que demora en el vector inicial o partida para

generar un nuevo vector a un ángulo β

: es el tiempo en segundos que se demora en el vector adyacente para

generar un nuevo vector a un ángulo β+60°

: es el tiempo en segundos que se tarda en generarse una sección del

hexágono ya sea este 0°-60°, 60°-120°, etc.

: es el índice de modulación cuyo valor se encuentra entre 0-0,866 ya que

este es el máximo valor de salida

34

: es el ángulo al que se encuentra el vector de inicio

: es el ángulo al cual se va a colocar el nuevo vector generado

Aplicando una simplificación en los ángulos de las ecuaciones de tiempo - se

puede obtener las ecuaciones 2.36, 2.37 y 2.38.

2.2.3.1.2 Modos de switcheo

Se pueden obtener los mismos resultados empleando diferentes técnicas de

switcheo, en el proyecto se aplicará la más sencilla y eficiente que consiste cerrar un

interruptor a la vez, en forma anti-horario de 0°-60°, 60°-120°, 120°-180°, 180°-

240°, 240°-300°, 300°-360°.

Secuencia de switcheo para el sector 0°-60°

Figura 2.19. Sector 0° a 60° [10]

Para esta sección , el tiempo

35


Figura 2.20. Sector 60° a 120° [10]



Figura 2.21. Sector 120° a 180° [10]


36


Figura 2.22. Sector 180° a 240° [10]



Figura 2.23. Sector 240° a 300° [10]


37


Figura 2.24. Sector 300° a 360° [10]


Para cada una de las secciones corresponde cada uno de los cálculos de los tiempos

y .

Como se puede ver para cada sección se tiene un periodo T el mismo que depende de

la sección en la que se encuentre, por ejemplo:

Sección 0°-60°

(

) (

)

Por lo tanto .

Como recomendación se puede profundizar el estudio de las técnicas de modulación

refiriéndose al libro de Alexander Bueno [17]y la Tesis de Manuel González.

38

CAPITULO 3

3 DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE LOS MÓDULOS

En este capítulo se describe la construcción del sistema formado por tres

módulos de sensores de tensión, corriente y de transistores IGBT y además se

realizan las pruebas correspondientes para comprobar su funcionamiento.

3.1 Módulo de sensores de tensión

Este módulo está conformado por los siguientes bloques:

- Base de metal para módulo

- Parte frontal

- Sensores de tensión LV-25NP y circuito de bloqueo de tensión

3.1.1 Base de metal para módulo de sensores de tensión

Esta base se construirá de acuerdo a las características, medidas y rasgos que

presentan los módulos existentes en el laboratorio de potencia de la Universidad

Politécnica Salesiana sede Cuenca, lo que nos facilitará el montaje en los bancos de

trabajo de Lab-volt.

Figura 3.1. Base metálica según Lab-volt para módulo de sensores de tensión

39

3.1.2 Parte frontal

La parte frontal está construido de acrílico de 6 mm, transparente, con fondo

blanco, los logos así como las letras de identificación se encuentran hechos a color

según diseño, figura 3.2.

El módulo alojará 4 sensores de tensión (LV-25NP), cada uno de ellos constará con

su respectivo símbolo, borneras de entrada, conector BNC de salida y con una salida

DB9.

Las borneras se encuentran identificadas con números y letras, el número nos indican

el elemento al que corresponde, las letras A-B nos indican el positivo y negativo de

la fuente a medir respectivamente.

Para la salida del sensor se tiene un conector BNC con el número del sensor que se

está utilizando, así como el factor por el que se debe multiplicar para obtener el valor

real.

La salida DB9 nos permitirá obtener los pulsos de cada uno de los sensores así como

un pulso de conexión para el bloqueo de los módulos de transistores IGBT, como se

indicó al inicio del capítulo.

Figura 3.2. Parte frontal del módulo de sensores de tensión

40

3.1.3 Sensores de tensión LV-25NP y circuito de bloqueo

El módulo consta de cuatro sensores de tensión efecto Hall los cuales

permitirán hacer mediciones de tensión desde los 10V hasta 500V, como valor

máximo mediante una relación de transformación de 100 veces menor a su valor

real. Este sensor puede medir tensiones continuas como alternas tal como se indica

en el primer capítulo.

Figura 3.3. Sensor LV-25NP en Altium

Como se observa en la figura 3.3 los pines uno y dos son las entradas del sensor, las

cuales se alojarán en la parte frontal del módulo mediante borneras, los pines cinco y

cuatro son las alimentaciones del dispositivo. Finalmente, el pin tres es la salida del

sensor que se conectará a la parte frontal del módulo mediante una terminal BNC.

Los terminales de salida del sensor se conectan a la entrada de un circuito

rectificador de onda completa ideal mediante amplificadores operacionales como se

muestra en la figura 3.4, el cual permite asegurar que si entra cualquier tipo de

tensión sea esta alterna o continua se tendrá a la salida de nuestro rectificador un solo

tipo de tensión.

Figura 3.4. Circuito rectificador de onda completa

41

El rectificador de onda completa ideal se aplica en niveles de tensión baja ya que

mediante los amplificadores operacionales se evita la pérdida de tensión de 0.6V en

los diodos rectificadores.

Si : on, off

Dónde:

: Tensión de entrada

: Tensión de salida

Tensión en la salida del primer operacional, entre y

Ahora si : on, off

(

)

Por lo tanto para ambas polaridades se obtiene

Dónde:

: Valor de la resistencia

: Tensión en el pin 6 del segundo operacional

En las fórmulas la tensión de salida es igual a la entrada por lo que no afecta de

ninguna manera al valor real medido.

42

Seguido se acopla un circuito amplificador de tensión no inversor a la salida del

rectificador ideal el cual nos ayudará a elevar a una tensión adecuada para una mejor

comparación de los niveles de tensión de los sensores con una tensión de referencia,

de esta manera genera un bit.

Cuando el bit se encuentra en estado 0 nos indica que los niveles de tensión son los

ideales, si el bit está en 1 indica que se ha producido una sobre tensión por lo cual

será bloqueado los módulos de transistores IGBT.

Figura 3.5. Circuito amplificador de tensión

(

)

Dónde:


: Tensión de ingreso

43

Figura 3.6. Circuito comparador de tensión y generador de bit

En el módulo también se encuentra un partidor de tensión, el mismo que servirá para

generar un bit en alto (1), el cual verifica que siempre se conecte el módulo de

transistores IGBT con el módulo de sensores de tensión mediante los terminales

DB9.

Figura 3.7. Circuito partidor de tensión

(

)

Dónde:


: Tensión de alimentación (+15V)

44

3.1.4 Diseño y construcción del circuito impreso (PCB)

Para el diseño de la PCB se utiliza el software Altium.

Figura 3.8. Cara inferior del circuito impreso de sensores de tensión

Figura 3.9. Cara superior del circuito impreso de sensores de tensión con plano

a tierra

45

3.2 Módulo de sensores de corriente


- Base de metal para modulo

- Parte frontal

- Sensores de corriente LA-25P y circuito de bloqueo de tensión

3.2.1 Base de metal para módulo de sensores de corriente

Como todos los módulos son del mismo tamaño, el diseño de la base del

módulo de sensores de tensión se aplica para el resto de módulos como se aprecia a

continuación.

Figura 3.10. Cara superior del circuito impreso de sensores de tensión con plano

3.2.2 Parte frontal

La parte frontal esta hecho de acrílico de 6 mm transparente, con fondo


según diseño.

46

El módulo alojará 4 sensores de corriente (LA-25P), cada uno con su respectivo

símbolo, borneras de entrada y salida, conector BNC de salida y con una salida

DB9.

Las borneras se encuentran identificadas con un número y una letra, el número indica

el elemento al que corresponde, siendo el INT el ingreso de corriente y OUT la salida

de la corriente tal como indica la flecha del símbolo, figura 3.11.

Para la salida del sensor se tiene un conector BNC con el número del sensor que se

está utilizando, así como el factor por el que se debe multiplicar para obtener el valor

real.

La salida DB9 permitirá obtener los pulsos de cada uno de los sensores así como un

bit de conexión para el bloqueo de los módulos de transistores IGBT, como se indica

al inicio del capítulo.

Figura 3.11. Parte frontal del módulo de sensores de corriente

3.2.3 Sensores de corriente LA-25P y circuito de bloqueo de corriente

El módulo consta de cuatro sensores de corriente efecto Hall, los cuales

permiten hacer mediciones de corriente desde 1A hasta 25A como valor máximo

mediante una relación de transformación de 100 veces menor a su valor real. Este

47

sensor puede medir corrientes continuas como alternas tal como se indica en el

primer capítulo.

Figura 3.12. Circuito en Altium del sensor LA-25P

Como se ve en la figura 3.12 los pines uno y seis son las agrupaciones de los pines

del 1-5 y 6-10 respectivamente para formar las entradas del sensor, las cuales se

alojarán en la parte frontal del módulo mediante borneras, los pines cinco y cuatro

son las alimentaciones del dispositivo. El pin M es la salida del sensor. Al colocar

una resistencia entre la salida M y la tierra se tiene una relación de corriente tensión

lo que permitirá utilizar el mismo esquema que se utilizó en los sensores de tensión,

con el único ajuste que se haría en el circuito amplificador de tensión no inversor

con el factor de amplificación.

3.2.4 Diseño del PCB

Figura 3.13. Cara inferior del circuito impreso de sensores de corriente

48

Figura 3.14. Cara superior del circuito impreso de sensores de corriente con

plano a tierra

3.3 Módulo de transistores IGBT


- Base de metal para módulo

- Parte frontal

- Circuito limitador de corriente

- Circuito de bloqueo de tensión

- Drives para transistores IGBT CM100DY24H

Los bloques se encuentran conectados tal como lo indica la figura 3.15.

Figura 3.15. Esquema de interconexión de los módulos

49

3.3.1 Base de metal para módulo de transistores IGBT

Se aplica el mismo diseño que se utilizó para los módulos de sensores de

tensión y corriente ya que todos estos serán alojados en los gabinetes de existentes en

el laboratorio de potencia.

3.3.2 Parte frontal

La parte frontal esta hecho de acrílico de 6 mm transparente con fondo


según diseño

.

Los módulos alojarán 4 transistores IGBT (CM100DY24H), constan de borneras de

potencia, borneras de control y salidas DB9.

Como se describió en el capítulo uno el transistor IGBT CM100DY24H es un

módulo que consta de dos transistores internos por lo cual para cada módulo de

transistor se le ha designado con la letra T y el número a que corresponde. Las

borneras de potencia de cada transistor individual se encuentran identificadas por un

número y letra, el número es el elemento al que corresponde y las letras C-E nos

indican el colector y el emisor de cada uno de los transistores respectivamente.

Las borneras de control o mini borneras se encuentra identificadas con la letra G que

nos indica el gate del transistor, el primer número nos indica a que módulo de

transistor corresponde y el segundo número hace referencia al gate correspondiente.

Los conectores DB9 permiten el bloqueo del módulo general de transistores IGBT, si

esto no se encuentra conectado a su respectivo módulo de tensión y corriente el

módulo permanece bloqueado.

50

Figura 3.16. Parte frontal de módulo de transistores IGBT

3.3.3 Circuito limitador de corriente para tarjetas de driver IGBT

Los drives que manejan los transistores IGBT son muy sensibles a las sobre

corrientes por lo que se ha visto la necesidad de diseñar e implementar un circuito

contra sobre corriente el cual permitirá el paso de un máximo de corriente de 150mA,

siendo este el valor de corriente que consume cada driver para su correcto

funcionamiento.

Figura 3.17.Circuito limitador de corriente

51

Como se puede aprecia en la figura 3.17 el circuito está formado por tres transistores,

dos de ellos son de baja corriente (BC547) y uno de alta corriente (2N3055), siendo

el valor de la resistencia R2 el que nos limita el valor de la corriente de salida.

El módulo consta de cuatro encapsulados de transistores IGBT y por ende de cuatro

drives, por lo tanto, se tendrá que construir cuatro reguladores de corriente para cada

uno de los drives. Es importante aclarar que no se puede construir un solo regulador

de corriente para los cuatro drives ya que si no funcionan todos al mismo tiempo

aumentará el nivel de corriente para cada driver lo que le dejaría sin protección.

3.3.3.1 Diseño de PCB de circuito limitador de corriente

En la PCB se encuentran alojados todos los reguladores de corriente

independientes.

Figura 3.18. PCB del circuito limitador de corriente

3.3.4 Circuito de bloqueo de los transistores IGBT

A los módulos de transistores IGBT se les protege contra sobre tensiones,

sobre corrientes y niveles lógicos inadecuados para su correcto funcionamiento.

Los bit que se generan en los módulos de tensión y corriente llegarán hasta el módulo

de transistores IGBT mediante un bus de datos DB9, estos a su vez ingresarán a un

PLD GAL16V8, el cual se encuentra programado internamente en el software

WinCUPL, de tal forma que si se detecta un cambio en el valor de los bits éste

52

enviará un bit en bajo (0) a la siguiente GAL16V8 para bloquear los pulsos de salida

que van a los gates de los transistores tal como se muestra en la figura 3.19, los bit de

salida serán bloqueados de tal manera que todos se ponga en un nivel lógico en alto

(1). Como se dijo en el capítulo uno los transistores se abren o interrumpen con un

nivel lógico en alto.

3.3.4.1 Diseño de circuito de bloqueo y programación de la GAL16V8

Figura 3.19. Circuito de GAL16V8 para bloqueo de IGBT

Como se aprecia en la figura 3.19 la GAL U2 tiene conectada al pin uno el pulsante

de reset, en los pines del 2 al 9 se conectan los pulsos para los gates de los

transistores. Los pines de salida van del 12 al 19.

La GAL U2 es la encargada de bloquear de forma global los bits de salida si detecta

que a la entrada del pin 11 ha cambiado de estado, poniendo a todos los bits de

salidas en alto. De igual manera si detecta que en el pin 2-3 se encuentran en niveles

lógicos bajos serán bloqueados todos los bits de salida a un nivel alto, ya que cada

dos pines de entradas forman un encapsulado de dos transistores IGBT, el mismo

bloqueo se da para los pines 4-5, 6-7 y 8-9 si estos se encontrará al mismo tiempo en

estado lógico bajo.

53

3.3.4.2 Software de programación de la GAL enWinCUPL

El WinCUPL (Universal CompilerforProgrammable) es un software de Atmel

que genera el archivo para programar PAL’s y GAL’S.

Un programa en WinCUPL, consta de tres bloques principales, que son:

- Encabezado:Muestrael nombre del programa, el dispositivo a ser

programado, el autor, la fecha y otros datos.

- Asignación de terminales: Indica la asignación de las terminales de entrada

y salida del dispositivo.

- Ecuaciones lógicas: Define la relación entre las terminales.

Programación para el circuito de bloqueo de los transistores IGBTs en las g16v8a:

Programa 1

NameName ;

PartNo00 ;

Date 14/08/2013 ;

Revision01 ;

DesignerEngineer ;

Company University of Tulsa ;

AssemblyNone ;

Location ;

Deviceg16v8a ;

/* *************** INPUT PINS *********************/

PIN 1= a ; /* */

PIN 2= x1 ; /* */

PIN 3= x2 ; /* */

PIN 4= x3 ; /* */

PIN 5= x4 ; /* */

PIN 6= b ; /* */

PIN 7= y1 ; /* */

PIN 8= y2 ; /* */

PIN 9= y3 ; /* */

PIN 11= y4 ; /* */

PIN 14= S ; /* */

PIN 18= R ; /* */

/* *************** OUTPUT PINS *********************/

PIN 15=Q ; /* */

PIN 13=Q1 ; /* */

PIN 17=v ; /* */

m=!((x1#x2)#(x3#x4))&a;

n=!((y1#y2)#(y3#y4))&b;

v=(m&n);

Q=!(S&Q1);

Q1=!(v&Q);

54

Programa 2

Nameunoo ;

PartNo00 ;

Date 14/08/2013 ;

Revision01 ;

DesignerEngineer ;

Company University of Tulsa ;

AssemblyNone ;

Location ;

Deviceg16v8a ;

/* *************** INPUT PINS *********************/

PIN 2=a1 ; /* */

PIN 3=a2 ; /* */

PIN 4=b1 ; /* */

PIN 5=b2 ; /* */

PIN 6=c1 ; /* */

PIN 7=c2 ; /* */

PIN 8=d1 ; /* */

PIN 9=d2 ; /* */

PIN 11=e ; /* */

/* *************** OUTPUT PINS *********************/

PIN 19=a11 ; /* */

PIN 18=a22 ; /* */

PIN 17=b11 ; /* */

PIN 16=b22 ; /* */

PIN 15=c11 ; /* */

PIN 14=c22 ; /* */

PIN 13=d11 ; /* */

PIN 12=d22 ; /* */

a11=(!(a1#a2)#a1)&e;

a22=(!(a1#a2)#a2)&e;

b11=(!(b1#b2)#b1)&e;

b22=(!(b1#b2)#b2)&e;

c11=(!(c1#c2)#c1)&e;

c22=(!(c1#c2)#c2)&e;

d11=(!(d1#d2)#d1)&e;

d22=(!(d1#d2)#d2)&e;

En el programa 1 y 2 se puede identificar el encabezado, el cual está compuesto por

el nombre del proyecto, el partnoque es el número o código que se le designa al

programa para su fácil archivo, en la tercera línea se encuentra la fecha en la que

realiza el programa, en company se designa el nombre de la compañía o del autor

del programa, en device designamos el dispositivo que se va utilizar.

En el siguiente bloque se designan los pines de entrada ya sea en forma de vector o

en forma individual.

En el tercer bloque designamos los pines de salida. En el último bloque se realiza la

programación.

55

3.3.4.2.1 Funciones lógicas del software WinCUPL

OPERADOR EJEMPLO DESCRIPCIÓN PRECEDENCIA

! !A Not 1

& A&B And 2

# A#B Or 3

$ A$B Xor 4

/* ------*/ /*ejemplo*/ Comentario

Tabla 3.1.Descripción de operadores en WinCUPL [11]

OPERADOR EJEMPLO DESCRIPCIÓN PRECEDENCIA

“ 2”3 Exponencial 1

‘ 2’1 Multiplicación 2

/ 4/2 División 2

% 9%8 Módulo 2

+ 2+4 Suma 3

- 4-1 Resta 3

Tabla 3.2.Operadores aritméticos [11]

FUNCION BASE

LOG2 Binario

LOG8 Octal

LOG16 Hexadecimal

LOG Decimal

Tabla 3.3. Operadores aritméticos [11]

3.3.4.3 PCB del circuito de boqueo con plano a tierra

El plano a tierra en esta placa impresa se encuentra solo en la parte inferior ya

que el circuito está hecho a simple cara siguiendo las normas de diseño y

construcción IPC-2220.

56

Figura 3.20. PCB del circuito de bloqueo

3.3.4.4 Drivers de los transistores IGBT

En este punto es conveniente detallar como se encuentran emplazados los

transistores IGBTs en la base metálica.

Los transistores se encuentran montados en un disipador de calor tal como indica la

figura 3.21, estos dos elementos están unidos mediante pasta de transmisión de calor

lo que permite un mayor contacto entre ambas superficies.

Figura 3.21. Disipador de calor transistor IGBT

Debido a que la estructura de un transistor IGBT está diseñada para que la puerta se

dispare a 15V es necesario asegurar estos niveles de tensión para el correcto

funcionamiento de los transistores con la ayuda de un driver, el cual está formado por

una fuente simétrica de tensión +-15V NMA 1515SC y un circuito integrado híbrido

M57959l, el cual fue construido para manejar IGBT canal n, éste permite amplificar

57

la señal de activación o disparo de 5V a 15V proporcionando un aislamiento eléctrico

entre la entrada y la salida.

Figura 3.22. Driver para transistores IGBT [12]

Como se observa en la figura 3.22 el driver tiene implementado un opto acoplador el

cual permitirá obtener una señal en el instante que se genere un cortocircuito en las

salidas del driver o a su vez en los bornes del IGBT, ésta tesis no abarca el estudio de

este tema.

3.4 Generador de modulaciones

Este módulo está formado por los siguientes bloques:

- Base de metal

- Parte frontal

- Circuito de modulaciones

3.4.1 Base de metal del Generador de modulaciones

Esta base se construirá de acuerdo a las características, medidas y rasgos que

presentan los módulos existentes en el laboratorio de potencia de la Universidad

Politécnica Salesiana sede Cuenca, lo que facilitará el montaje en los bancos de

trabajo de Lab-volt.

58

3.4.2 Parte frontal

La parte frontal esta hecho de acrílico de 6 mm, transparente con fondo negro,

los logos ya sea de la Universidad, laboratorios de electricidad y electrónica son de

color según diseño. Las letras y signos de identificación son de color blanco tal como

se aprecia en la figura 3.23.

En la parte frontal del módulo se ha realizado tres divisiones que permitirán alojar

los elementos necesarios para obtener las modulaciones requeridas como se indica a

continuación.

3.4.2.1 Modulación vectorial espacial

En esta parte frontal del módulo se alojarán las seis salidas de la modulación

SPWM de las cuales: G21, G22, G32 son las señales negadas de G11, G12, G13.

Consta de cuatro pulsantes, LOADcargará los valores modificados en la modulación,

los pulsantes 6VECT, 12 VECT, 18 VECT permiten generar modulaciones

vectoriales de seis, doce, diez y ocho vectores.

El potenciómetro de FRECUENCIA modifica el valor de la frecuencia desde

10Hz(mínima) hasta 120Hz(máximo) a la cual la modulación vectorial se va a

generar, el INDICE DE MODULACION puede ser incrementado de 0(mínimo) a

1(máximo).

Cada led indica el estado en el que se encuentra la modulación vectorial espacial

SPW.

3.4.2.2 Modulación PWM

Consta de seis salidas de modulación PWM, un pulsante LOAD con su

respectivo led de señalización el cual permite cargar los valores seleccionados.

59

Se tiene dos potenciómetros FRECUENCIA PORTADORA y FRECUENCIA los

cuales modifican los valores de dichas frecuencias de modulación.

3.4.2.3 Modulación 120/180

En esta parte del módulo al igual que en el resto de modulaciones consta de

seis salidas de modulación tipo mini bornera de color amarillo, un pulsante LOAD

permite seleccionar entre las modulaciones 120 o 180 grados.

El pulsante 120 selecciona la modulación a 120 grados en este caso se activan dos

transistores a la vez. El pulsante 180 grados selecciona la modulación a 180 grados

en este caso se activan 3 transistores a la vez.

El potenciómetro FRECUENCIA controla el tiempo de conmutación de los dos

transistores en las dos modulaciones y por consecuencia la frecuencia del voltaje de

salida.

La alimentación del módulo será mediante mini borneras de color rojo para los 5V

positivos de corriente continua, una mini bornera de color negro como el negativo de

la alimentación y por último un interruptor tipo ojo de cangrejo el cual permite

encender todas las modulación.

Figura 3.23. Parte frontal del generador de modulaciones

60

3.4.3 Circuito y placa PCB de modulaciones

El circuito de modulación vectorial SPWM, PWM, modulación a 120/180

está formado por tres PIC18F2550 ya que sus características presentadas en el primer

capítulopermiten desarrollar el software de modulaciones de una mejor manera, diez

y ocho opto acopladores PC 817, los cuales aíslan galvánicamente las salidas del

microcontrolador de corrientes o voltajes potencialmente dañinas de cualquier

problema que se presente en las mini borneras de salidas de modulación.

El cálculo de los tiempos en las modulaciones que realizan depende de la ecuación

3.8.

Dónde:

Lo que indica que no se puede tener una frecuencia de valor cero en ninguna de las

modulaciones antes mencionadas para lo cual se ha colocado una resistencia en la

parte negativa del potenciómetro que ayudará siempre a tener un valor mínimo y no

cero de frecuencia. De igual manera se ha limitado el máximo de la frecuencia con

una resistencia en la parte positiva del potenciómetro para limitar el máximo valor de

frecuencia.

En el caso de la modulación vectorial la variable m (índice de modulación) tiene que

ser mayor a cero y menor a uno, por lo tanto como la frecuencia se limitó el máximo

y el mínimo del potenciómetro de igual manera el índice de modulación se limita

para evitar que se den los valores no deseados, esto se puede apreciar en el figura

3.24, 3.25 y 3.26.

61

Para tener una mayor velocidad de procesamiento se colocó un cristal (oscilador) de

32MHz con sus respectivos condensadores a tierra los cuales estabilizan la señal de

reloj(oscilación) de 15pF como se indicó en el capítulo 1.

Los leds de señalización se activan con cero lo que evita que el

microcontroladorentregue corriente y de esta manera evitar que disminuya la vida

útil del mismo.

Cada uno de los pulsantes empleados en las modulaciones tiene su respectivo

condensador de 100nF conectado en paralelo para evitar los rebotes que se puedan

generar al momento de accionarlos, ver figura 3.23.

Figura 3.24. Comportamiento de un pulsante al accionamiento [13]

En la figura 3.25 se muestra el circuito siguiendo las normas y recomendaciones

establecidas.

POTEN1

RPot SM

1 K

R 2

Res2

1 K

R 3

Res2

V C C

G N D

1

2

3

4

P3(Mod1)

PULSANTES

1 K

R 4

Res2

1 K

R 5

Res2

1 K

R 6

Res2

1 K

R 7

Res2

G N D

P 1

P 2

1 K

R 8

Res2

V C C

1

2

P 1

Pulsante reset1

G N D

1 K

R 9

Res2

1 K

R10

Res2

1 K

R11

Res2

1 K

R12

Res2

1 K

R13

Res2

1 K

R14

Res2

G N D

G N D

G N D

G N D

G N D

G N D

G N D

G N D

G N D

G N D

1 K

R15

Res2

1 K

R16

Res2

1 K

R17

Res2

1 K

R18

Res2

1 K

R19

Res2

1 K

R20

Res2

S 1

S 2

S 3

S 4

S 5

S 6

1

2

3

4

5

6

P 4

SALIDA PIC 1

V C C

G N D

MCLR

1

RA0/AN0/C1INA/ULPWU/RP0

2

RA1/AN1/C2INA/RP1

3

RA2/AN2/VREF-/CVREF/C2INB

4

RA3/AN3/VREF+/C1INB

5

V D D C O R E / V C A P

6

RA5/AN4/SS1/HLVDIN/RCV/RP2

7

VSS

8

OSC1/CLKI/RA7

9

OSC2/CLKO/RA6

1 0

RC0/T1OSO/T1CKI/RP11

1 1

RC1/T1OSI/UOE/RP12

1 2

RC2/AN11/CTPLS/RP13

1 3

VUSB

1 4

RC4/D-/VM

1 5

RC5/D+/VP

1 6

RC6/TX1/CK1/RP17

1 7

RC7/RX1/DT1/SDO1/RP18

1 8

VSS

1 9

V D D

2 0

RB0/AN12/INT0/RP3

2 1

RB1/AN10/RTCC/RP4

2 2

RB2/AN8/CTEDG1/VMO/REFO/RP5

2 3

RB3/AN9/CTEDG2/VPO/RP6

2 4

RB4/KBI0/SCK1/SCL1/RP7

2 5

RB5/KBI1/SDI1/SDA1/RP8

2 6

RB6/KBI2/PGC/RP9

2 7

RB7/KBI3/PGD/RP10

2 8

U 1

PIC18F25J50-I/SP

S 1

S 2

S 3

S 4

S 5

S 6

P 1

P 2

1

2

Alimentacion

Alimentacion

V C C

G N D

D 1

L E D 2

D 2

L E D 2

V C C

V C C

V C C

V C C

V C C

V C C

V C C

A 1

A 2

A 3

A 4

A 5

A 6

A 1

A 2

A 3

A 4

A 5

A 6

1

2

OSC1

Header 2

0 1

0 2

0 1

0 2

G N D

G N D

G N D

G N D

1

1

2

2

4

4

3

3

OPTO1

PC817

1

1

2

2

4

4

3

3

OPTO2

PC817

1

1

2

2

4

4

3

3

OPTO3

PC817

1

1

2

2

4

4

3

3

OPTO4

PC817

1

1

2

2

4

4

3

3

OPTO5

PC817

1

1

2

2

4

4

3

3

OPTO6

PC817

1 0 0 p F

C 1

Cap2

1 0 0 p F

C 2

Cap2

1 0 0 p F

C 7

Cap2

1 0 0 p F

C 8

Cap2

1 0 0 p F

C15

Cap2

P 1 P 2

G N D

62

Figura 3.25. Circuito generador de modulación 120/180

Figura 3.26. Circuito generador de modulación vectorial espacial

Figura 3.27. Circuito generador de modulación PWM

La placa PCB está diseñada a doble cara con sus respectivos planos a tierra, la

posición y distribución de los elementos se ha realizado en base a las normas IPC-

2220.

El ancho de la pista depende de la intensidad de corriente que se vaya a hacer

circular, por este motivo el grosor de la pista diseñada es de 0.8mm la cual soportará

aproximadamente 1Amp, las inclinaciones de las pista son a 45° como recomienda la

norma antes mencionada, así como la separación mínima entre pistas es de 0,8mm la

misma que permite realizar una soldadura de mejor calidad.

1 K

R21

Res2

1 K

R22

Res2

1 K

R23

Res2

1 K

R24

Res2

1 K

R25

Res2

1 K

R26

Res2

G N D

G N D

G N D

G N D

G N D

G N D

G N D

G N D

G N D

G N D

G N D

G N D

1 K

R27

Res2

1 K

R28

Res2

1 K

R29

Res2

1 K

R30

Res2

1 K

R31

Res2

1 K

R32

Res2

S 2 1

S 2 2

S 2 3

S 2 4

S 2 5

S 2 6

1

2

3

4

5

6

P 5

SALIDA PIC 2

MCLR

1


2

RA1/AN1/C2INA/RP1

3


4

RA3/AN3/VREF+/C1INB

5


6


7

VSS

8

OSC1/CLKI/RA7

9

OSC2/CLKO/RA6

1 0


1 1

RC1/T1OSI/UOE/RP12

1 2

RC2/AN11/CTPLS/RP13

1 3

VUSB

1 4

RC4/D-/VM

1 5

RC5/D+/VP

1 6

RC6/TX1/CK1/RP17

1 7


1 8

VSS

1 9

V D D

2 0

RB0/AN12/INT0/RP3

2 1

RB1/AN10/RTCC/RP4

2 2


2 3


2 4


2 5


2 6

RB6/KBI2/PGC/RP9

2 7

RB7/KBI3/PGD/RP10

2 8

U 2

PIC18F25J50-I/SP

POT2

RPot SM

POT3

RPot SM

Pot11

Pot22

Pot11 Pot22

1 K

R45

Res2

1 K

R47

Res2

1 K

R46

Res2

1 K

R48

Res2

V C C

G N D

1 K

R49

Res2

V C C

1

2

RESET2

Header 2

G N D

V C C

S 2 1

S 2 2

S 2 3

S 2 4

S 2 5

S 2 6

1 K

R53

Res2

1 K

R52

Res2

1 K

R51

Res2

V C C

1 K

R50

Res2

1

2

3

4

5

6

7

8

P 7

Header 8

G N D

P 2 1

P 2 2

P 2 3

P 2 4

P 2 1

P 2 2

P 2 3

P 2 4

V C C

V C C

V C C

V C C

V C C

V C C

B 1

B 2

B 3

B 4

B 5

B 6

B 1

B 2

B 3

B 4

B 5

B 6

D 3

L E D 2

D 4

L E D 2

D 5

L E D 2

D 6

L E D 2

1 K

R60

Res2

1 K

R61

Res2

1 K

R62

Res2

1 K

R63

Res2

V C C

V C C

V C C

V C C

1

2

OSC2

Header 2

0 3

0 4

0 3

0 4

G N D

G N D

1

1

2

2

4

4

3

3

OPTO7

PC817

1

1

2

2

4

4

3

3

OPTO8

PC817

1

1

2

2

4

4

3

3

OPTO9

PC817

1

1

2

2

4

4

3

3

OPTO10

PC817

1

1

2

2

4

4

3

3

OPTO11

PC817

1

1

2

2

4

4

3

3

OPTO12

PC817

1 0 0 p F

C 3

Cap2

1 0 0 p F

C 4

Cap2

1 0 0 p F

C 9

Cap2

1 0 0 p F

C10

Cap2

1 0 0 p F

C11

Cap2

1 0 0 p F

C12

Cap2

1 0 0 p F

C14

Cap2

P 2 1 P 2 2 P 2 3 P 2 4

G N D

1 K

R33

Res2

1 K

R34

Res2

1 K

R35

Res2

1 K

R36

Res2

1 K

R37

Res2

1 K

R38

Res2

G N D

G N D

G N D

G N D

G N D

G N D

G N D

G N D

G N D

G N D

G N D

G N D

1 K

R39

Res2

1 K

R40

Res2

1 K

R41

Res2

1 K

R42

Res2

1 K

R43

Res2

1 K

R44

Res2

S 3 1

S 3 2

S 3 3

S 3 4

S 3 5

S 3 6

1

2

3

4

5

6

P 6

SALIDA PIC3

MCLR

1


2

RA1/AN1/C2INA/RP1

3


4

RA3/AN3/VREF+/C1INB

5


6


7

VSS

8

OSC1/CLKI/RA7

9

OSC2/CLKO/RA6

1 0


1 1

RC1/T1OSI/UOE/RP12

1 2

RC2/AN11/CTPLS/RP13

1 3

VUSB

1 4

RC4/D-/VM

1 5

RC5/D+/VP

1 6

RC6/TX1/CK1/RP17

1 7


1 8

VSS

1 9

V D D

2 0

RB0/AN12/INT0/RP3

2 1

RB1/AN10/RTCC/RP4

2 2


2 3


2 4


2 5


2 6

RB6/KBI2/PGC/RP9

2 7

RB7/KBI3/PGD/RP10

2 8

U 3

PIC18F25J50-I/SP

POT4

RPot SM

POT5

RPot SM

Pot1

Pot2

Pot1 Pot2

1 K

R55

Res2

1 K

R56

Res2

1 K

R57

Res2

1 K

R58

Res2

V C C

G N D

1 K

R54

Res2

V C C

1

2

P 8

Header 2

G N D

V C C

V C C

V C C

V C C

V C C

V C C

V C C

C 1

C 2

C 3

C 4

C 5

C 6

C 1

C 2

C 3

C 4

C 5

C 6

D 7

L E D 2

D 8

L E D 2

D 9

L E D 2

D10

L E D 2

1 K

R64

Res2

1 K

R65

Res2

1 K

R66

Res2

1 K

R67

Res2

V C C

V C C

V C C

V C C

S 3 1

S 3 2

S 3 3

S 3 4

S 3 5

S 3 6

G N D

1

2

OSC3

Header 2

0 5

0 6

0 5

0 6

G N D

G N D

1

1

2

2

4

4

3

3

OPTO13

PC817

1

1

2

2

4

4

3

3

OPTO14

PC817

1

1

2

2

4

4

3

3

OPTO15

PC817

1

1

2

2

4

4

3

3

OPTO16

PC817

1

1

2

2

4

4

3

3

OPTO17

PC817

1

1

2

2

4

4

3

3

OPTO18

PC817

1 0 0 p F

C 5

Cap2

1 0 0 p F

C 6

Cap2

1 0 0 p F

C13

Cap2

63

Figura 3.28. Parte superior del circuito impreso del generador de modulaciones

Figura 3.29. Parte inferior del circuito impreso del generador de modulaciones

3.5 Pruebas de medición de los sensores de corriente y tensión

Los instrumentos de medida tienen que cumplir con las siguientes

características para su correcto funcionamiento.

Rango: Conjunto de valores de la variable que puede medir el instrumento. Se

especifica mediante el límite inferior y el superior.

64

Alcance (span): Se define como alcance de un dispositivo de medida a la diferencia

entre los valores superior e inferior del rango.

Rango sobre cero: Es un rango en el que el cero de la variable medida es mayor que

el límite inferior del rango.

Rango sin cero: Rango en el que el cero de la variable medida queda por debajo del

límite inferior del rango.

Precisión:Grado en que la medida que proporciona se aproxima a un valor patrón de

medida o a una medida ideal.

Error de medida: Diferencia entre la medida producida por el instrumento y la

medida ideal.

Grado de incertidumbre: Error máximo que se puede cometer al efectuar la medida

con el instrumento.

Precisión de referencia o tolerancia: Límite máximo del error de medida en

condiciones nominales.

Repetitividad: Grado de consistencia del instrumento, es decir, en qué grado el

dispositivo proporciona medidas iguales cuando mide el mismo valor en las mismas

condiciones. Si no se exige que las condiciones de las medidas sean idénticas, esta

característica se denomina reproducibilidad.

Umbral: Valor mínimo que tiene que alcanzar la variable para que el instrumento

proporcione una señal de medida.

65

3.5.1 Pruebas a sensores de corriente

3.5.1.1 Rango

El sensor de corriente tiene un rango de 0.1A a 25A en las entradas y con un

mismo rango en la salida con una relación de 100.

3.5.1.2 Alcance

3.5.1.3 Rango sobre cero

3.5.1.4 Error de medida

N° de

medida

Sonda de

corriente

Sensor de

corriente

Error de

medida

1 0.28 0.26 0.02

2 0.58 0.57 0.01

3 0.88 0.85 0.03

4 1.16 1.13 0.03

5 1.4 1.39 0.01

6 1.64 1.58 0.06

7 1.92 1.87 0.05

8 2.18 2.15 0.03

9 2.56 2.52 0.04

10 2.84 2.79 0.05

11 3.52 3.48 0.04

12 4.16 4.13 0.03

13 4.72 4.69 0.03

14 4.96 4.95 0.01

15 5.24 5.2 0.04

16 5.44 5.41 0.03

17 5.72 5.69 0.03

18 6.28 6.24 0.04

19 6.72 6.64 0.08

20 7.12 7.1 0.02

21 7.28 7.24 0.04

Tabla 3.4.Mediciones de corriente

66

∑

El error de medida promedio absoluto es de 0.034A

3.5.1.5 Umbral

La mínima señal de corriente es 0.1A.

Figura 3.30. Sonda de corriente vs sensor de corriente

En la figura 3.30 se puede apreciar que existe un desfasemínimo entre la medida

delpatrón y la medida de los sensores.

0

1

2

3

4

5

6

7

8

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21

sonda de corriente sensor de corriente

67

3.5.1.6 Grado de incertidumbre

Como se observa en la tabla 3.4 de mediciones, existe un máximo error de

0.08A.

3.5.1.7 Precisión de referencia o tolerancia

Mediante las mediciones realizadas con la sonda de corriente N°3, la cual se

utilizó como patrón y los sensores de corriente se determina una tolerancia de +-

0.04A como se aprecia en la tabla 3.4.

3.5.2 Pruebas a sensores de tensión

3.5.2.1 Rango

El sensor de tensión tiene un rango de 10V a 500V en las entradas y con un

mismo rango en la salida con una relación de 100.

3.5.2.2 Alcance

3.5.2.3 Rango sobre cero

3.5.2.4 Error de medida

68

N° de

Medida

M.

Sensor

M.

Patrón

error de

medida

1 9.23 9.25 0.02

2 14.65 14.70 0.05

3 20.42 20.50 0.08

4 37.05 37.10 0.05

5 41.47 41.50 0.03

6 45.43 45.50 0.07

7 48.15 48.20 0.05

8 52.97 53.00 0.03

9 58.93 59.00 0.07

10 67.66 67.70 0.04

11 80.53 80.60 0.07

12 87.18 87.20 0.02

13 91.89 91.90 0.01

14 97.23 97.30 0.07

15 104.98 105.00 0.02

16 106.97 107.00 0.03

17 111.93 112.00 0.07

18 118.96 119.00 0.04

19 130.97 131.00 0.03

20 145.92 146.00 0.08

Tabla 3.5. Medidas de tensión

∑

El error promedio absoluto de medida es de 0.05

69

3.5.2.5 Umbral

La mínima señal de tensión es 10V.

Figura 3.31. Sonda de tensión vs sensor de tensión

3.6 Modulación vectorial espacial

3.6.1 Modulación de vectores fundamentales

Para generar los seis vectores fundamentales se sigue la secuencia de

switcheo que se desarrolló en el capítulo dos (modulación vectorial) y de esta manera

se obtienen los valores de tensión en la salida del convertidor trifásico.

SC SB SA Vab Vbc Vca

caso 4 1 0 0 0 -Vcc Vcc

caso 6 1 1 0 -Vcc 0 Vcc

caso 2 0 1 0 Vcc(-1) Vcc 0

caso 3 0 1 1 0 Vcc -Vcc

caso 1 0 0 1 Vcc 0 -Vcc

caso 5 1 0 1 Vcc -Vcc 0

Tabla 3.6. Secuencia de switcheo de los transistores IGBT

0,00

20,00

40,00

60,00

80,00

100,00

120,00

140,00

160,00

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20

Series1

Series2

70

El orden de switcheo no es el mismo orden que se presentó en el capítulo dos debido

a que el orden de análisis esta hecho en orden del número binario que resulta de la

combinación de la apertura (0) y cierre (1) de los interruptores que en este caso son

los transistores IGBT.

Para determinar el tiempo de switcheose utiliza la ecuación 3.14.

Dónde:

: es la frecuencia a la que se desea generar la tensión de salida

El número seis nos indica la cantidad de switcheo que se va hacer

3.6.1.1 Programación de modulación fundamental

71

En vista que el software de programación MICROCODE tiene los comandos PAUSE

y PAUSEUS, los cuales son demoras con resolución de 1 milisegundo y 1

microsegundo respectivamente. Se ha visto la necesidad de Tpwm multiplicar

1000000 para obtener una mejor exactitud en los tiempos de la secuencia.

La entrada de la variable ( ) frecuencia se encuentra en el puerto A0, la cual varía de

0-225, el análisis de la modulación va de 0-120Hz por lo tanto

En la figura 3.31, se presentan las señales de switcheo SA, SB y SC para la

generación de los vectores fundamentales de la modulación vectorial espacial.

Seaprecia claramente que cada señal de switcheo se encuentra desfasada 120° la una

con respecto a la anterior, cada cuadricula representa 2ms.

La onda completa se genera en y 180°por lo tanto:

El desfase se da en que equivale a .

Figura 3.32. Señal de disparo para vectores fundamentales

72

Figura 3.33. Señal de tensión fase-fase y fase-neutro con vectores fundamentales

Para medir la corriente se colocó una carga equilibrada resistiva inductiva.

Figura 3.34. Señales de corriente con vectores fundamentales

3.6.2 Modulación vectorial espacial de 6 vectores

Para esta modulación se colocará un nuevo vector en la mitad de cada uno de

los sectores del hexágono,esto quiere decir que se ubicará a 30° del vector base

inicial, por lo cual se generara 6 vectores nuevos en todo el hexagonal como se

muestra en la figura 3.34.

73

Figura 3.35. Ubicación de 6 vectores nuevos

3.6.2.1 Programación de modulación a 6 vectores

Los tiempos , están en función de las variables de frecuencia (f) y el

índice de modulación (m). Las mismas que serán leídas en el puerto A0.

El índice de modulación se divide para 225 en vista que el rango que se desea es de 0

a 1 como máximo, la frecuencia de igual forma dividimos para 2 para obtener un

rango de 0 a 120.

Como se indica en el capítulo 2 los tiempos , están en función de

y , en este caso α=30°por lo tanto.

Por lo tanto en la siguiente ecuación de , de la programación se multiplica

, y de esta manera se tiene los tiempos en microsegundos.

74

En vista que los nuevos vectores están distribuidos simétricamente el tiempo ,

son los mismos en cada uno de los sectores del hexágono, siendo este el motivo

fundamental que no se calculan los tiempos para cada sección del hexágono.

Al tener todos los tiempos calculados se procede a realizar la secuencia de disparo

como se indicó en la parte de modulación vectorial espacial.

Figura 3.36. Señales de switcheo para modulación de 6 vectores

En la figura 3.35 se muestran las secuencias de disparo de SA, SB, SC

respectivamente a una frecuencia de 63Hz.

75

Figura 3.37. Señal de tensión fase-fase y fase-neutro con 6 vectores

En la figura 3.36, en el voltaje (fase-fase) se ve claramente el incremento de los

vectores tanto en la parte positiva como negativa de la tensión.

Figura 3.38. Señales de corriente a 6 vectores

El las gráficas de las corrientes se observa el efecto que se produce al aumentar el

número de vectores en la modulación. La onda tiende a ser más sinusoidal conforme

se aumenta el número de vectores, índice de modulación y la frecuencia a la que se

va generar.


Para generar una modulación a doce vectores se tiene que introducir dos

vectores desfasados 20° el uno del otro, el primer vector se sitúa a 20° con

76

respecto al fundamental inicial y el segundo vector se sitúa a 40° del

vector fundamental inicial repitiéndose esto para cada sección del hexágono como se

aprecia en la figura 3.38.

Figura 3.39. Ubicación de los 12 vectores nuevos


Como se tiene dos vectores en una sección del hexagonal de igual forma se

tiene dos diferentes tiempos , y dos , , por lo tanto:

De esta manera las ecuaciones de , dadas en la sección modulación SPWM se

convierten en:

77

Con estos tiempos se puede realizar la programación aplicando la secuencia que se

indica en la figura 3.39.

78

Figura 3.40. Señales de switcheo para modulación de 12 vectores

En la figura 3.39 se muestran las secuencias de disparo de SA, SB, SC



De igual forma que en la modulación anterior, se observa los doce vectores que se

han generado en el voltaje fase-fase.

Si se sigue incrementando el número de vectores la onda de la corriente va

mejorando aunque el voltaje siga manteniendo la misma forma.


79


Se introducen tres vectores simétricamente separados en cada uno de las

secciones del hexagonal para obtener 18 vectores.

El primer vector se ubicará a 15° respecto al vector inicial fundamental

), el segundo vector estará a 30° respecto al fundamental inicial

y el tercero a 45° con respecto al mismo vector fundamental inicial

como indica la figura 3.42.

Figura 3.43. Ubicación de los 18 vectores nuevos


Debido a que se tiene tres vectores en una sección del hexagonal se posee

tres tiempos Tx, Tx1, Tx2, y tres Ty, Ty1, Ty2, por lo tanto el cálculo de los senos

correspondientes es:

80

Los valores obtenidos se reemplazan en las ecuaciones de , dadas en la sección

modulación SPWM para obtener unas ecuaciones acordes con el software de

programación MICROCODE.

81

La secuencia de pulsos para el switcheo de los transistores IGBT se presenta en la

figura 3.44, cabe recalcar que esta es la secuencia de pulsos positivos, para la

secuencia de pulsos negativos bastará tan solo con negar dichos pulsos y de esta

manera obtener las seis salidas G11, G12, G13, G21, G22, G23.

82

Figura 3.44. Señal de switcheo para modulación de 18 vectores

En la figura 3.44 se muestra las secuencias de disparo de SA, SB, SC



Al incrementar el número de vectores también se incrementa la similitud de la onda

de voltaje Van a una onda sinusoidal.

Como se puede ver con 18 vectores se obtiene muy buenos resultados ya que la señal

de corriente cada vez más se asimila a una onda sinusoidal. Con estos resultados se

puede decir que la teoría de modulación vectorial espacial es muy eficiente al

momento de realizar un convertidor trifásico equilibrado.

83


3.7 Modulación PWM

La modulación PWM se realiza mediante la generación de pulsos mediante la

comparación de dos señales: una de referencia y la portadora, estas señales al ser

comparadas generan los pulsos adecuados para el disparo de cada transistor. El

número de pulsos generados por cada periodo va a depender de la frecuencia de las

dos señales.

Figura 3.47. Generación de pulsos mediante la comparación de señales

Como se observa en la figura 3.46, al realizar la comparación de señales se genera un

tren de pulsos cuya amplitud y frecuencia depende de las señales que los genera.

Para un inversor trifásico se necesita generar tres ondas sinusoidales idénticas

desfasadas 120 grados entre si y una única onda triangular de una mayor amplitud

que las sinusoidales.

84

La señal para el primer transistor proviene de la comparación de la onda sinusoidal

que comienza en 0 grados con la señal triangular, cabe aclarar que siempre habrá tres

transistores conduciendo.

Figura 3.48. Niveles de voltaje para la activación de los transistores

En la figura 3.48 se observan los pulsos, los mismos que están desfasados entre sí

120 grados, esto se da porque la comparación se realiza con tres ondas sinusoidales

desfasadas 120 grados entre ellas.

El procesamiento de las señales son realizadas por el microcontrolador mediante

códigos ya implementados, es decir no realiza muestras gráficas, sino que carga a las

salidas valores preestablecidos.

Figura 3.49. Voltaje fase-fase del circuito de modulación PWM

85

Figura 3.50. Voltaje fase-neutro del circuito de modulación PWM

3.8 Modulación a 120/180

3.8.1 Modulación a 120 grados

Para esta modulación tienen que conducir 2 transistores a la vez para lo cual

generamos la siguiente tabla de conmutación:

Q1 Q2 Q3 Q4 Q5 Q6

Estado 1 H L L L H L

Estado2 H L L L L H

Estado3 L H L L L H

Estado4 L H L H L L

Estado5 L L H H L L

Estado6 L L H L H L

Tabla 3.7. Orden de conmutación de los transistores para la modulación a 120°

Los voltajes presentes a la salida del circuito serán:

86

Figura 3.51. Voltaje fase-fase de un inversor con modulación a 120 grados

Figura 3.52. Voltaje fase-neutro de un inversor con modulación a 120 grados

Para los dos tipos de modulaciones la frecuencia de la onda de salida depende del

tiempo en que se dé la transición de un estado a otro.

Por ejemplo para obtener una frecuencia de 60Hz, el periodo de la onda es

aproximadamente 16667µs, este tiempo se divide para 6 y se obtiene el tiempo de

duración de cada estado, en este caso 2777µs. Esto quiere decir, que inicialmente,

para el caso de la modulación a 180 grados, los transistores Q1, Q3 y Q5 van a

permanecer cerrados durante este tiempo y por consiguiente los demás están abiertos.

87

Luego de transcurrido este tiempo se cambia de estado, es decir, ahora Q1, Q5 y Q6

permanecerán cerrados y se abrirán los otros transistores, así sucesivamente.

El cambio entre una modulación u otra se realiza mediante los pulsantes que están

colocados en la parte frontal del módulo del generador de modulaciones en la parte

de modulación 120/180 grados, el cambio de la frecuencia se realiza mediante el

potenciómetro, calculando los tiempos como se ha mencionado anteriormente.

3.8.2 Modulación a 180 grados:

Para este tipo de modulación como ya se explicó en el capítulo 2, tienen que

conducir 3 transistores a la vez para lo cual se establece la siguiente tabla con el

orden de conmutación de los transistores.

Q1 Q2 Q3 Q4 Q5 Q6

Estado1 H L H L H L

Estado2 H L L L H H

Estado3 H H L L L H

Estado4 L H L H L H

Estado5 L H H H L L

Estado6 L L H H H L

Tabla 3.8. Orden de conmutación de los transistores para la modulación a 180°

Al realizar correctamente el switcheo de los transistores se obtienen las salidas de

tensión que se observan en la figura 3.52 y 3.53.

Figura 3.53. Voltaje fase-fase de un inversor con modulación a 180 grados

88

Figura 3.54. Voltaje fase-neutro de un inversor con modulación a 180 grados

3.9 Pruebas

Las pruebas se realizaron en el laboratorio de electrónica de potencia con una

fuente variable rectificada de onda completa.

En la figura 3.55 se aprecia la correcta conexión para un funcionamiento de los

módulos construidos. Para realizar cualquier práctica con dichos módulos se armará

en primer lugar el circuito del inversor trifásico o cualquier otro circuito que se

requiera con su respectiva carga y fuente de corriente continua, la carga será

monitoreada mediante los módulos de tensión y corriente.

Las señales de modulación se conectarán a continuación del circuito de potencia

mediante mini bananas respetando la simbología que se indica en cada mini bornera,

después se conectaran las señales de sobre tensión y sobre corriente para la

protección del módulo de transistores IGBTs.

89

Figura 3.55. Diagrama de conexión de módulos

Al terminar las conexiones antes indicadas se alimentará a cada uno de los módulos y

por último se pone en marcha el módulo de transistores IGBTs.

Para realizar las pruebas de funcionamiento de los módulos construidos se aplicó una

carga resistiva inductiva equilibrada conectada en estrella al inversor trifásico.

Con la ayuda de un osciloscopio digital de cuatro canales se tomó las tres señales de

disparo para la modulación vectorial espacial de los vectores fundamentales así como

la modulación a 6 vectores, 12 vectores y 18 vectores,que nos permitirá verificar la

correcta secuencia de dichas , las cuales se muestran en las figuras 3.56 y 3.57

Figura 3.56. Señal de switcheo para modulación de vectores fundamentales

reales

90

Figura 3.57. Señales de switcheo para modulación de 6 vectores reales

Cabe recalcar que el inversor fue alimentado con una fuente variable rectificada a

onda completa ya que en el laboratorio de potencia no existe una fuente puramente

continua, el valor de la tensión que se aplicó al inversor fue de 50V con un índice

de modulación 0.6. Hay que tomar en cuenta que la modulación de vectores

fundamentales no está en función del índice de modulación.

Figura 3.58. Tensión fase-fase de modulación de vectores fundamentales reales

91

Figura 3.58. Tensión fase-fase de modulación de 6 vectores reales

Figura 3.59. Tensión fase-fase de modulación de 12 vectores real

Para la modulación de conducción a 120 y 180 el inversor fue alimentado con una

tensión de 20V de corriente continua.

92

Figura 3.60. Tensión fase-fase de modulación con conducción a 120 grados

Figura 3.61. Tensión fase-fasedemodulación con conducción a 180 grados

93

CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

Elobjetivo principal de esta tesis es la construcciónde los módulos de sensores

de corriente, tensión, transistores IGBTs y de modulaciones los mismos que al

trabajar en conjunto permiten realizar prácticas en el laboratorio de potencia de

inversores trifásicos utilizando técnicas de modulación PWM, modulación vectorial

espacial (SPWM) y modulaciones a 120/180 de una manera segura.

Para la construcción de los módulos inicialmente se utilizó acrílico transparente con

fondo blanco pero debido a que estéticamente no se acopló con los paneles de Lab-

volt se optó por el cambio a acrílico negro con impresiones blancas en la parte

frontal.

Al terminar la construcción y las pruebas respectivas de los módulos de corriente y

tensión se pudo determinar que dichos módulos de sensores son muy fiables para

realizar mediciones de tensión y corriente porque el error de medida se encuentra por

debajo de los valores permitidos para instrumentos de medidacon un valor de +1.2%

de error relativo y 0.08A de error absoluto para los sensores de corriente lo que nos

indica que tiene 98.8% de confianza en la medida. El error relativo para los sensores

de tensión es +0.05% y el error absoluto es 0.08V, el nivel de confianza de medida es

99.95%.

En vista que los sensores de tensión y corriente tiene que generar un pulso ya sea este

de sobre tensión o sobre corriente se aplicó en primera instancia una rectificación a

media onda con un condensador de 100uF y de esta manera aplicar un comparador

de tensión para generar el pulso. Debido a que los sensores arrojaban valores de

tensión muy pequeños en sus salidas este circuito no era útil ya que los diodos

empleados para su operación necesitan una tensión de 0.6V como mínimo, por lo que

se optó por diseñar un rectificador de tensión ideal de onda completa con

amplificadores operacionales, con el cual se obtuvo excelentes resultados ya que este

sirve tanto para tensiones continuas como alternas.

94

Mediante las pruebas realizadas al módulo de transistores IGBTs se confirmó que

cumplen los parámetros de diseño planteadas al inicio de la tesis, dicho modulo se

bloquea con la presencia de sobre tensiones y sobre corrientes en los valores

establecidos de 120V y 10A respectivamente como valores máximos, esta protección

será útil siempre y cuando se monitoree la tensión y corriente de cualquier circuito

que se realicen con los transistores IGBTs.

Para obtener un correcto funcionamiento en las PCB que se han empleado en este

proyecto se tiene que cumplir con las normas de diseño y soldadura que se especifica

en IPC-2220 evitando de esta manera pistas sin conectar o componentes en

posiciones inadecuadas, el software Altium es uno de los más completos y utilizados

en la actualidad ya que facilita el alineamiento y espaciamiento simétrico de los

componentes electrónicos, permite además establecer reglas de ruteo como el

espaciamiento entre pista-pad y entre pista-pista así como el ancho de las pistas.

Con respecto a la modulación vectorial se concluye que la secuencia programada en

el PIC18f2550 se realizó de forma correcta ya que los resultados que se obtuvieron

con el simulador ISIS son muy similares a los valores obtenidos en el laboratorio de

potencia con los módulos construidos, es necesario resaltar que la frecuencia a la que

se generó las ondas de disparo del simulador no coincide con las ondas obtenidas con

el osciloscopio. Esto se debe a que el simulador no responde en tiempo real por lo

que se tuvo que modificar el factor de división de

a

.

La secuencia de switcheo para la modulación vectorial espacial de 6 vectores, 12

vectores y 18 vectores de igual forma que en el caso anterior coincide las señales

simuladas con las obtenidas en el osciloscopio variando el factor de división.

De igual forma las señales de tensión para la modulación vectorial espacial

fundamental, 6 vectores, 12 vectores y 18 vectores coinciden las señales obtenidas

del simulador con las obtenidas del osciloscopio. Existe una pequeña distorsión en la

cresta de las señales de tensión debida a que no se utilizó una fuente de tensión

puramente continua para alimentar el convertidor, siendo este el motivo por el cual

95

aparecen segmentos de semiciclos positivos en las crestas de las señales de tensión

del convertidor tal como se indica en la figura 3.58.

Con la ayuda de la figura 3.59se confirma que las ecuaciones programadas en el PIC

que se aplican en el desarrollo de la modulación vectorial espacial dan resultados

satisfactorios porque el valor esperado se encuentra cerca del valor obtenido

√

La modulación con conducción a 180 grados tiene valores eficaces mayores que con

conducción a 120 grados. Además en la modulación a 120 grados, el transistor

conduce menos tiempo lo que significa que no es aprovechado al 100 %, por estos

dos motivos es más utilizada la conducción a 180 grados en los inversores.

Como se aprecia en la figura 3.60 el valor del voltaje Vrms de la señal de salida

entre fase-fase de un inversor a conducción a 180 grados es aproximadamente 16

Voltios lo que demuestra que se cumple la ecuación:

De igual manera en la figura 3.61 se muestra el voltaje fase-fase de un inversor con

conducción a 120 grados tal como se aprecia es menor al voltaje anterior

cumpliéndose la siguiente ecuación.

De esta manera se concluye que las modulaciones han sido correctamente realizadas

pues cumplen satisfactoriamente las ecuaciones definidas para su salida.

Los conocimientos adquiridos a los largo de la carrera han sido de mucha ayuda para

el desarrollo de esta tesis sobre todo las cátedras de electrónica digital, analógica,

potencia, microprocesadores, CAD y proyectos.

96

Como recomendación se puede decir que se debería profundizar el estudio de los

PLD’s porque su funcionamiento es paralelo en comparación al funcionamiento

secuencial de los PIC’s, siendo esta una ventaja enorme para ser aplicaciones

eficientes.

La construcción de de estos módulos nos ayudaran para la investigación de nuevas

técnicas de modulaciones así como de filtros bifásico, en vista que el módulo de

transistores IGBTs se encuentra dotado con cuatro encapsulados de transistores esto

hace que se puedan desarrollar convertidores tetrafásicos para el estudio de su

comportamiento.

Con la ayuda de los módulos de sensores de tensión y corriente podemos realizar

mediciones de algunos parámetros de forma simultánea

97

BIBLIOGRAFÍA

[1] Recuperado el 10 de Ene del 2013

http://wwww.datasheetcatalog.com/datasheets_pdf/L/M/3/2/LM324.shtml

[2] Recuperado el 25 de Marzo del 2013

http://www.farnell.com/datasheets/51633.pdf

[3] Recuperado 30 de marzo del 2013

http://www.catagle.com/20-7/lem-industrial-catalog.htm

[4] Recuperado 30 de marzo del 2013

http://pdf.datasheetcatalog.com/datasheet/lem/LA25-NP.pdf

[5] Recuperado 5 de abril del 2013

http://www.lem.com/hq/en/content/view/168/155/

[6] Recuperado 5 de abril del 2013

http://pdf.datasheetcatalog.com/datasheets/320/91363_DS.pdf

[7] Recuperado el 14 de abril del 2013

http://ww1.microchip.com/downloads/en/devicedoc/39632b.pdf

[8] Recuperado el 14 de abril del 2013

http://bibing.us.es/proyectos/abreproy/11638/fichero/Capitulo%2B8.pdf

[9] Ing. Domingo C. Guarnaschelli, Inversores De Potencia Eléctrica:

http://www.frsf.utn.edu.ar/5-Alumno.html

[10] Ing. Darío E. Rodas R., Modulación De Vector Espacial (Spwm) En Control

De Motores De Inducción

http://www.findthatpdf.com/search-98730035-hPDF/download-documents-

2300852.pdf.htm

[11] Recuperado 3 de febrero

del2013http://ecee.colorado.edu/~mcclurel/Atmel_WinCUPL_PLD_Software

_Users_Manual_doc0737.pdf

[12] Mitsubishi Hybrid Ics, D Ic For Driving Igbt Modules. Hoja de datos:

http://www.shaoguang.com.cn/pdf3/M57959L.pdf

[13] Recuperado el 4 de marzo del 2013

http://www.mikroe.com/chapters/view/87/libro-de-la-programacion-de-los-

microcontroladores-pic-en-basic-capitulo-4-ejemplos

[14] Carlos A. Reyes, Microcontroladores, 3 Edición, Volumen 1

http://wwww.datasheetcatalog.com/datasheets_pdf/L/M/3/2/LM324.shtml

http://www.farnell.com/datasheets/51633.pdf

http://www.catagle.com/20-7/lem-industrial-catalog.htm

http://pdf.datasheetcatalog.com/datasheet/lem/LA25-NP.pdf

http://www.lem.com/hq/en/content/view/168/155/

http://pdf.datasheetcatalog.com/datasheets/320/91363_DS.pdf

http://ww1.microchip.com/downloads/en/devicedoc/39632b.pdf

http://bibing.us.es/proyectos/abreproy/11638/fichero/Capitulo%2B8.pdf

http://www.frsf.utn.edu.ar/5-Alumno.html

http://www.findthatpdf.com/search-98730035-hPDF/download-documents-2300852.pdf.htm

http://www.findthatpdf.com/search-98730035-hPDF/download-documents-2300852.pdf.htm

http://ecee.colorado.edu/~mcclurel/Atmel_WinCUPL_PLD_Software_Users_Manual_doc0737.pdf

http://ecee.colorado.edu/~mcclurel/Atmel_WinCUPL_PLD_Software_Users_Manual_doc0737.pdf

http://www.shaoguang.com.cn/pdf3/M57959L.pdf

98

[15] Diseño De Circuitos Impresos, recuperado el 7 de enero del 2013

http://www.educarchile.cl/UserFiles/P0029/File/Objetos_Didacticos/ELO_03

_TEL/Recursos_para_la_Actividad/Diseno_de_Circuitos_Impresos.pdf

[16] Generic Standard Printed Board Design, recuperado el 7 de enero del 2013

http://www.mcuexamples.com/Downloads/ipc2221.pdf

[17] Bueno Montilla Alexander, Electrónica De Potencia: Aspectos Generales Y

Convertidores Electrónicos, Universidad Simón Bolívar, Departamento De

Conversión Y Transporte De Energía.

[18] Muhammad H. Rashid, Electrónica De Potencia: (Circuitos, Dispositivos Y

Aplicaciones).

http://www.educarchile.cl/UserFiles/P0029/File/Objetos_Didacticos/ELO_03_TEL/Recursos_para_la_Actividad/Diseno_de_Circuitos_Impresos.pdf

http://www.educarchile.cl/UserFiles/P0029/File/Objetos_Didacticos/ELO_03_TEL/Recursos_para_la_Actividad/Diseno_de_Circuitos_Impresos.pdf

http://www.mcuexamples.com/Downloads/ipc2221.pdf

Anexo 1 (Sensores voltaje y PCB)

Anexo 2 (Cara inferior y superior PCB de sensores de corriente)

Anexo 3 (Tensiones fase-neutro de modulación fundamental y 6 vectores)

Anexo 4 (Tensiones fase-neutro de modulación de 12 vectores y 18 vectores)

Anexo 5 (Corrientes de modulación de 12 vectores y 18 vectores)

Anexo 6 (Tensiones y corrientes de modulación a 120)

UNIVERSIDAD POLITÉCNICA SALESIANA · de tesis titulado: “DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE MÓDULOS...

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