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Implementación de un inversor puente H con modulación SPWM
Tipo: Monografías, Ensayos
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¡No te pierdas las partes importantes!
En cumplimiento parcial de los requisitos de trabajo de grado modalidad trabajo investigativo
Asesor de proyecto:
Ramón Álvarez López PhD(c)
Nota de aceptación
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esfuerzo de ellos y mi esfuerzo ahora puedo ser una gran profesional y seré un gran orgullo para ellos y para todos los que confiaron en mí.
Quiero agradecer a todos mis maestros ya que ellos me enseñaron valorar los estudios y a superarme cada día, También agradezco a Dios por darme la salud que tengo, por tener una cabeza con la que puedo pensar muy bien y además un cuerpo sano y una mente de bien.
Estoy seguro que mis metas planteadas darán fruto en el futuro y por ende me debo esforzar cada día para ser mejor en los estudios y en todo lugar sin olvidar el respeto que engrandece a la persona.
INTRODUCCION............................................................................................................... 1
2.1. ANTECEDENTES............................................................................................... 2.2. OBJETIVOS........................................................................................................ 3 2.2.1. Objetivo General.......................................................................................... 3
Figura 15. Circuito Generación SPWM............................................................................ Figura 16. Circuito generador de la señal senoidal............................................................ Figura 17. Captura del osciloscopio de la salida del circuito............................................ 22 Figura 18. Circuito generador de las señales diente de sierra............................................ Figura 19. Capturas del osciloscopio tomadas a la salida del circuito generador de las señales diente de sierra....................................................................................................... Figura 20. Configuración comparador............................................................................... Figura 21. Señales SPWM a la salida de los comparadores............................................. 25 Figura 22. Señales SPWM negadas obtenidas del colector de los transistores bjt´s del circuito............................................................................................................................... 26 Figura 23. Etapa de acoplamiento...................................................................................... Figura 24. Etapa de potencia.............................................................................................. Figura 25. Salida en AC del inversor................................................................................. 29
Anexo A. circuito completo del inversor modulado en puente H
Anexo B. placa del circuito donde se generan las señales
Anexo C. placa SPWM y acoplamiento
Anexo D. placa del inversor (puente H)
Anexo E. prototipo completo inversor
Anexo F. diseño de PCB placa del inversor (puente H)
Anexo G. diseño PCB placa generador de señales
Anexo H. Diseño PCB placa de SPWM y acoplamiento
Anexo I. presupuesto de los componentes de la placa del inversor (puente H)
Anexo J. presupuesto de los componentes placa de generación de señales.
Anexo K. presupuesto de los componentes placa de SPWM y acoplamiento
Anexo L. presupuesto del prototipo completo
Bajo el concepto de microrredes inteligentes con integración de fuentes de energías alternativas, un particular puede ahorrar dinero, dejando de consumir energía de la red o produciendo parte de la energía que demanda, al mismo tiempo que ayuda a preservar el ambiente. Esta nueva forma de cogeneración es denominada: generación distribuida y para el caso de instalaciones residenciales que integran sistemas fotovoltaicos, se agrupa bajo el concepto de BIPV (del Inglés Building Integrated Photovoltaic). Es así, como las fuentes de generación alternativas empiezan a cobrar importancia y con ello, aparecen retos relacionados asociados a su gestión, diseño, operación y puesta en marcha.
Uno de los agentes que han promovido el confort y bienestar de la humanidad es la energía eléctrica. Pero a la vez que brinda calidad de vida, su demanda aumenta de forma exponencial mientras que las estrategias de generación convencional tienen algunas restricciones que no facilitan su expansión. Esta última disyuntiva ha motivado el estudio de las fuentes alternativas de generación, las cuales se basan en el aprovechamiento de los recursos energéticos inagotables como lo son las radiaciones solares, corrientes de vientos, entre otros.
El potencial fotovoltaico en Colombia es muy alto, pero más sin embargo, la penetración de dicha tecnología es aún muy baja, esto debido quizás a que conlleva altos costos de inversión, su confiabilidad es baja y no se cuenta con una política clara de incentivos. En los últimos meses, Colciencias ha fijado una convocatoria pública (convocatoria 616) donde asigna $1.990 millones de pesos para promover el desarrollo de dicha tecnología, dejando claro el gran interés que tiene el país en promover su aprovechamiento (Colciencias 2013).
2.1. Objetivo General
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2.2. Objetivos Específicos
En el contenido de esta investigación se encontraran algunos temas específicos los cuales se definirán en este espacio, para luego continuar con el desarrollo del contenido de la implementación de este inversor:
2.3. ENERGIA SOLAR FOTOVOLTAICA
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Fuente [3]
En la figura anterior podemos notar la ubicación de un inversor después del convertidor DC/DC el cual es la base de este trabajo.
2.4. INVERSORES DC/AC Los convertidores de C.D. a C.A. se conocen como inversores. La función de un inversor es cambiar un voltaje de entrada en C.D. a un voltaje simétrico de salida en C.A., con la magnitud y frecuencia deseadas. Tanto el voltaje de salida como la frecuencia pueden ser fijos o variables. Si se modifica el voltaje de entrada de C.D. y la ganancia del inversor de mantiene constante, es posible obtener un voltaje variable de salida. Por otra parte, si el voltaje de entrada en C.D. es fijo y no es controlable, se puede obtener un voltaje de salida variable si se varía la ganancia del inversor; esto por lo general se hace controlando la modulación de ancho de pulso (PWM) dentro del inversor. La ganancia del inversor se puede definir como la relación entre el voltaje de salida en C.A. y el voltaje de entrada en C.D.
En los inversores ideales; las formas de onda de salida deberían ser senoidales. Sin embargo, en los inversores reales no son senoidales y contienen ciertas armónicas. Para aplicaciones de mediana y baja potencia, se pueden aceptar los voltajes de onda cuadrada o casi cuadrada; para aplicaciones de alta potencia, son necesarias las formas de onda senoidales de baja distorsión. Dada la disponibilidad de los dispositivos semiconductores de potencia de alta velocidad, es posible minimizar o reducir significativamente el contenido de armónico del voltaje de salida mediante las técnicas de conmutación.
El uso de los inversores es muy común en aplicaciones industriales tales (como la propulsión de motores de C.A. de velocidad variable, la calefacción por inducción, las fuentes de respaldo y las de poder, alimentaciones ininterrumpibles de potencia). La entrada puede ser una batería, una celda de combustible, una celda solar u otra fuente de C.D. [4]
Los inversores se pueden clasificar en el sentido amplio dependiendo de la alimentación utilizada. Por un lado se tiene los alimentados por fuentes de corriente, utilizados casi exclusivamente en el campo de la regulación de la velocidad para potencias elevadas y por el otro, los alimentados por fuentes de
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tensión, utilizados en la mayoría de las aplicaciones. Al mismo tiempo, los inversores pueden clasificarse desde el punto del circuito de potencia en inversor monofásico de medio puente, inversor monofásico de puente completo e inversores trifásicos, no obstante, según las técnicas de control empleadas para la 2 obtención de la forma de onda de la tensión de salida, los inversores trifásicos o monofásicos también se pueden subdividir en varios niveles. A continuación en la Figura 2, se presenta un resumen de los criterios habitualmente empleados para la clasificación de los inversores.
Figura SEQ Figura * ARABIC 2. Clasificación de los inversores.
CLASIFICACION DE LOS INVERSORES
Señal de entrada
Alimentados en tensión Alimentados en corriente
Señal de salida
Monofásicos Trifásicos
Etapa de potencia
Medio puente Push-pull Puente completo
Control
Inversores no modulados Inversores modulado
Fuente: [5]
2.5. TOPOLOGIAS CLASICAS 3.1. INVERSOR MEDIO PUENTE (HALF BRIDGE) En la figura 3. Se muestra el circuito de un inversor de medio puente. Su estructura consta de dos capacitores de igual valor conectados en serie a través de la señal de entrada CD, de tal forma que, cada capacitor se carga a la mitad del voltaje de entrada, es decir a (V (^) s/2). Es necesario tener valores altos de capacitores para poder asumir que el potencial en el punto 0 permanece esencialmente constante con respecto a la terminal N. Asimismo los transistores del inversor de medio puente tienen que soportar un voltaje de valor igual al voltaje de entrada y el valor máximo del voltaje de la onda cuadrada de salida es igual a la mitad del voltaje de entrada. Se tiene la desventaja que uno de sus transistores no está aterrizado.
Su principio de operación es el siguiente: cuando solo el transistor Q1 está activo durante el tiempo T (^) o /2, El voltaje instantáneo a través de la carga V (^) o es V (^) s /2. Si solo el transistor Q2 está activo durante un tiempo To /2, Aparece el voltaje –V (^) s /2 a través de la carga. El circuito debe diseñarse de tal suerte que, Q1 y Q2 no estén activos simultáneamente. En la figura 4. Se muestra las
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El inversor tipo puente completo se compone de 4 IGBT's que trabajan como interruptores ideales, los cuales puede ser conectados y desconectados en forma sincronizada para colocar un nivel de voltaje de CC sobre la carga con referencia positiva y negativa. En la figura 5. Puede observarse como la conmutación de estos semiconductores produce voltajes positivos y negativos sobre la carga.
Figura SEQ Figura * ARABIC 5. Esquema inversor puente completo
Fuente: [6]
Como se puede observar en la Figura 3. Inversor puente completo. Por medio de la conmutación de los semiconductores T1 y T4 se aplica un voltaje positivo a la carga de magnitud VD (a); cuando se encienden los semiconductores T2 y T3 aparece en la carga un voltaje de magnitud VD pero de polaridad inversa (b). [6]
2.4. MODULACION DEDICADA A INVERSORES (PWM) El objetivo de un inversor es generar tensión alterna a partir de tensión continua. Además, interesa poder variar la tensión eficaz y la frecuencia de la tensión alterna generada.
La modulación por Ancho de Pulso (PWM) es un sistema de control para los inversores con el cual se obtiene una onda de salida de notables características y elevadas prestaciones, y reducido contenido armónico. Según sea la aplicación se pueden controlar diferentes características de la señal de salida como son la tensión o la frecuencia. Es decir, se pretende que la tensión de salida presente grandes ventajas respecto a una onda cuadrada.
El circuito de potencia es el llamado puente “H” , normalmente implementado con transistores MOSFET o IGBT, debido a que en general trabaja con una frecuencia de conmutación del orden de los 15KHz o superiores. El conjunto de control y potencia se muestra en la figura 6.
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Figura SEQ figura * ARABIC 6. Puente con circuito de control PWM
Fuente: [5]
En muchas aplicaciones industriales, a menudo es necesario controlar el voltaje de salida de los inversores para hacer frentes a las variaciones de la entra DC, o cumplir unos requisitos de voltaje y frecuencia en la salida. Existen varias técnicas para modificar el voltaje de salida de un inversor, como son la regulación de la entra DC, o el control de la modulación por ancho de pulso. En la modulación por ancho de pulso, las técnicas más comúnmente utilizadas son:
▲ Modulación de un solo ancho de pulso
▲ Modulación de varios ancho de pulso
▲ Modulación senoidal de ancho de pulso
▲ Modulación senoidal modificada del ancho de pulso
▲ Control por desplazamiento de fase
En el control por modulación de un solo de ancho de pulso existe un solo pulso por cada medio ciclo. El ancho de pulso se hace variar, con el objetivo de controlar la tensión de salida del inversor, sin prestar atención alguna al contenido armónico. El resultado es una onda cuadrada difícil de filtrar para obtener una onda senoidal pura. La salida de este tipo de modulación se muestra en la figura 7.
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Figura SEQ figura * ARABIC 9. Modulación senoidal del ancho de pulso
Fuente: [5]
En los inversores modulados se busca que la frecuencia de conmutación de los interruptores de potencia sea mucho mayor que la frecuencia de salida, para facilitar así el filtrado; desplazar armónicos a altas frecuencias, donde son fácilmente filtrables.
2.9. MODULACIÓN SENOIDAL MODIFICADA DEL ANCHO DE PULSO En la modulación senoidal modificada del ancho de pulso, los anchos de pulso de los pulsos más cercanos al pico de la onda senoidal no cambian considerablemente, esto es, durante los 60º alrededor del pico (treinta antes y treinta después) los interruptores están encendidos. Este tipo de modulación permite que se reduzca el número de conmutaciones de los dispositivos de potencia y las pérdidas de conmutación, incrementando la componente fundamental y mejorando las características armónicas.
2.10. CONTROL POR DESPLAZAMIENTO DE FASE Este control se puede obtener usando varios inversores y sumando el voltaje de salida de los inversores individuales. Un ejemplo seria tener dos inversores de medio puente y sumarlos. Un desplazamiento de fase entre ellos controlara el descanso en cero de la onda rectangular de salida, y en consecuencia el voltaje de salida, disminuyendo de esta forma la variación brusca en la salida. Esto se muestra en la figura 10.
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Figura SEQ figura * ARABIC 10. Control por desplazamiento de fase
Fuente: [5]
La modulación por ancho de pulsos (también conocida como PWM, siglas en inglés de pulse-width modulation) de una señal o fuente de energía es una técnica en la que se modifica el ciclo de trabajo de una señal periódica (una senoidal o una cuadrada, por ejemplo), ya sea para transmitir información a través de un canal de comunicaciones o para controlar la cantidad de energía que se envía a una carga.
El ciclo de trabajo de una señal periódica es el ancho relativo de su parte positiva en relación con el período. Expresado matemáticamente:
D es el ciclo de trabajo
t es el tiempo en que la función es positiva (ancho del pulso)
T es el período de la función
La construcción típica de un circuito PWM se lleva a cabo mediante un comparador con dos entradas y una salida. Una de las entradas se conecta a un oscilador de onda dientes de sierra, mientras que la otra queda disponible para la señal moduladora. En la salida la frecuencia es generalmente igual a la de la señal dientes de sierra y el ciclo de trabajo está en función de la portadora.
La principal desventaja que presentan los circuitos PWM es la posibilidad de que haya interferencias generadas por radiofrecuencia. Éstas pueden minimizarse ubicando el controlador cerca de la carga y realizando un filtrado de la fuente de alimentación [7].
Sin embargo, la técnica más utilizada es SPWM. En un inversor monofásico se debe conmutar de manera adecuada 4 interruptores controlables con el fin de generar una onda senoidal a la salida de magnitud y frecuencia ajustables. El patrón de conmutación se obtiene a partir de la comparación de una señal triangular de frecuencia y amplitud fija (portadora) con una señal senoidal de frecuencia y amplitud variables (moduladora).
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