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• Mauricio Martínez

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UNIVERSIDAD DE LAS FUERZAS ARMADAS – ESPE DEPARTAMENTO DE ELECTRICA Y ELECTRONICA

CÓDIGO: SGC.DI.505 VERSIÓN: 1.0 FECHA ULTIMA REVISIÓN: 26/10/16

CARRERA: ELECTRONICA E INSTRUMENTACION

INFORME DE LA PRACTICA ASIGNATUR A:

CONTROL ELECTRÓNICO DE POTENCIA

PERIODO LECTIVO :

OCTUBRE 2018 – FEBRERO 2019

NIVEL:

VII

DOCENTE:

FRANKLIN SILVA

NRC:

2726

PRÁCTICA N°:

1

LABORATORIO DONDE SE DESARROLLARÁ CIRCUITOS ELECTRÓNICOS LA PRÁCTICA: TEMA DE Conversor DC/AC de tres niveles. LA PRÁCTICA: ESTUDIANT PAOLA CHILUISA, DANNY MARTINEZ, JUAN ROMO, GRENY TARCO ES: OBJETIVOS: GENERAL:  Diseñar e implementar un conversor DC/AC de 3 niveles, a través de un circuito integrado programable PIC 16F877A para el circuito de control y transistores JFET con diodos en paralelo formando un puente con tres líneas para el circuito de potencia, para mantener un voltaje alterno. ESPECIFICOS:  Realizar una investigación del funcionamiento conversores DC/AC de tres niveles para mantener un voltaje alterno.  Diseñar cada una de las etapas del conversor DC/AC de tres niveles para mantener un voltaje alterno.  Implementar el circuito de conversor DC/AC de tres niveles para mantener un voltaje alterno.  Verificar el funcionamiento del circuito mediante pruebas que validen el funcionamiento del conversor DC/AC de tres niveles para mantener un voltaje alterno. INTRODUCCIÓN: RESUMEN El presente trabajo tiene como objetivo diseñar e implementar un conversor DC/AC de tres niveles para mantener un voltaje alterno. Esto se realiza mediante el acoplamiento del circuito de control con el circuito de potencia, el circuito de potencia se llevara a cabo con seis transistores JFET de potencias adecuadas en función de cada inversor. Con un adecuado control de la conmutación de los interruptores, estos elementos permiten generar tensiones de salida elevadas y con formas de onda escalonadas, mientras que los semiconductores sólo soportan los niveles de tensión de entrada, el cual se lo realiza con la programación de un circuito integrado programable PIC16F877A, además de mostrar las respectivas formas de onda en las cuales se podrá analizar los resultados obtenidos al finalizar la práctica. ABSTRACT The objective of this work is to design and implement a three-level DC / AC converter to maintain an alternating voltage. This is done by coupling the control circuit with the power circuit, the power circuit will be carried out with six JFET transistors of adequate power depending on each inverter. With an adequate control of the switching of the switches, these elements allow to generate high output voltages and stepped waveforms, while the semiconductors only support the input voltage levels, which is done with the programming of a circuit integrated programmable

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PIC16F877A, in addition to showing the respective waveforms in which you can analyze the results obtained at the end of the practice. MARCO TEÓRICO: CONVERSORES DC/AC (INVERSORES) Los inversores son circuitos que convierten la corriente continua en corriente alterna. Más exactamente, los inversores transfieren potencia desde una fuente de continua a una carga de alterna. Los convertidores en puente de onda completa pueden funcionar como inversores en algunos casos, pero en esos casos debe preexistir una fuente de alterna. En otras aplicaciones, el objetivo es crear una tensión alterna cuando solo hay disponible una fuente de tensión continua, como se puede apreciar en la figura 1. En este capítulo vamos a centrarnos en los inversores que generan una salida de alterna a partir de una entrada de continua. Los inversores se utilizan en aplicaciones tales como motores de alterna de velocidad ajustable, sistemas de alimentación ininterrumpida y dispositivos de corriente alterna que funcionen a partir de una batería de automóvil. Los convertidores de DC/AC se conocen como inversores. (Guerrero, 2013). La función de un inversor es cambiar un voltaje de entrada en cd a un voltaje simétrico de salida en AC, 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 DC y la ganancia del inversor se mantiene constante, es posible obtener un voltaje variable de salida. (Por otra parte, si el voltaje de entrada en DC es fijo y no es controlable, se puede obtener un voltaje de salida variable si se varia la ganancia del inversor) esto por lo general se hace controlando la modulación del ancho de pulso (PWM) dentro del inversor. La ganancia del inversor se puede definir como la relación entre el voltaje de salida en AC y el voltaje de entrada en DC. (Guerrero, 2013).

Figura 1. Diagrama de bloques de un conversor DC/AC. (Guerrero, 2013). En los inversores ideales, las formas de onda del voltaje de salida deberán 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 armónico del voltaje de salida mediante las técnicas de conmutación. (Guerrero, 2013).

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PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO Se presenta el esquema de un inversor monofásico. Este convertidor está conformado por cuatro interruptores bidireccionales de corriente. La operación sincronizada de los interruptores (1, 2, 3, 4) permite aplicar sobre la carga tensiones positivas (+VDC), negativas (−VDC) y cero (0). (Lara, 2014). ESQUEMA INVERSOR MONOFASICO:

Figura 2. Esquema de un inversor monofásico. (Lara, 2014).

Para obtener tensión positiva (+VDC) en la carga, es necesario cerrar los interruptores Sw1 y Sw3.

Figura 3. Funcionamiento del inversor monofásico ciclo (+). (Lara, 2014).

Para obtener tensión negativa (−VDC) en la carga, es necesario cerrar los interruptores Sw2 y Sw4.

Figura 4. Funcionamiento del inversor monofásico ciclo (-). (Lara, 2014).

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Controlando el tiempo que el convertidor permanece en cada uno de los estados anteriores se puede controlar la frecuencia y magnitud efectiva de la tensión o corriente sobre la carga. (Lara, 2014).

Figura 5. Forma de onda de un inversor monofásico. (Lara, 2014).

CONVERSOR AC/DC. PUENTE TRIFASICO:  El inversor trifásico se utiliza normalmente para circuitos que necesitan una elevada potencia a la salida.  Los primarios de los transformadores deben ser aislados uno de los otros, mientras que los secundarios pueden ser conectados en triángulo o estrella.  Los secundarios de los transformadores se conectan normalmente en estrella para de esta forma eliminar armónicos.  Este inversor se puede conseguir con una configuración de seis transistores y seis diodos, como se puede observar en la figura 6.

Figura 6. Inversor: Puente trifásico.

 A los transistores se les debe aplicar dos tipos de señales de control desfasadas 120° o 180° entre sí.  Trabaja en 6 modos de operación: 123 – 234 – 345 – 456 – 561 – 612.

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CONVERTIDORES DC/AC MULTINIVEL Los inversores multinivel presentan un amplio conjunto de semiconductores de potencia y fuentes de tensión basadas en condensadores. Con un adecuado control de la conmutación de los interruptores, estos elementos permiten generar tensiones de salida elevadas y con formas de onda escalonadas, mientras que los semiconductores sólo soportan los niveles de tensión de entrada. La figura 7 muestra unos diagramas esquemáticos de una rama de fase en inversores con diferentes niveles de tensión, donde los semiconductores están representados por interruptores ideales con diversas posiciones. (Fernando, 2013).

Figura 7.

Rama de fase de un inversor de (a) 2 niveles, (b) 3 niveles, y (c) n niveles. (Fernando, 2013).

Un inversor de dos niveles convencional genera una tensión de salida con dos valores respecto al terminal negativo del condensador de entrada, mientras que el inversor de tres niveles genera tres valores, y así en adelante. El término multinivel surgió por primera vez con el inversor de tres niveles introducido por Nabae et al. En 1980. Incrementando el número de niveles en el inversor, aumenta el rango de valores en la tensión de salida, generándose una forma de onda escalonada, con una menor distorsión armónica (Fernando, 2013). Las principales ventajas de los inversores multinivel frente a los de dos niveles convencionales son las siguientes:    

Generan tensiones de salida con menor distorsión y pocas variaciones de tensión dv/dt. Conducen corrientes con poca distorsión. Pueden operar a frecuencias de conmutación más pequeñas. Generan tensiones en modo común menores, reduciendo así el estrés de los dispositivos y permitiendo trabajar a mayores potencias.

Las principales limitaciones que presentan los inversores multinivel son las siguientes:  

Un elevado número de niveles incrementa la complejidad del control. Introducen problemas de desequilibrio en las tensiones de los condensadores.

APLICACIONES:  Actualmente existen multitud de aplicaciones para los convertidores DC/AC. Entre ellas puede citarse -El control de motores de corriente alterna, donde se hace necesario un rectificador controlado para convertir a continua la señal alterna y regular la potencia entregada al motor, para después volver a ondular la señal mediante un inversor. (Lara, 2014).

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 La recuperación de la energía rotórica de un motor donde, mediante escobillas se recoge la energía que se pierde por rozamiento en el rotor de éste y, a través de un inversor, se convierte a la tensión y frecuencia necesarias para devolverla a la red. (Lara, 2014). Sin embargo, la aplicación que se han considerado como más generalizadas en la actualidad son los sistemas de alimentación ininterrumpida de C.A., siendo los sistemas que describiremos a continuación, dejando las demás aplicaciones para un tema específico. (Lara, 2014). EQUIPOS Y MATERIALES: Equipos:  Osciloscopio  PC Materiales:  Protoboard  PIC16F877A  Fuente DC  6 2N3819  6 1N4007  Resistencias  Cables de conexión. INSTRUCCIONES:  Utilice ropa de protección: mandil  Verifique la disponibilidad de los equipos a usar en la práctica ACTIVIDADES POR DESARROLLAR: 1. Realizar el circuito del PIC16F877A, en este caso se implementará el circuito mostrado en la figura 12.

Figura 12. Circuito de cruce por cero 2. Realizar la etapa de potencia mostrada en la figura 15, esta etapa será la que ponga en contacto tres líneas de un conversor puente trifásico.

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Figura 15. Etapa de Potencia. 3. Analizar los resultados RESULTADOS OBTENIDOS: Formas de onda obtenidas del circuito: Señal en cada GATE de los transistores. SIMULADO EN PROTEUS OSCILOSCOPIO

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Modos de operación: 123 – 234 – 345 – 456 – 561 – 612 de los transistores. SIMULADO EN PROTEUS OSCILOSCOPIO

ANALISIS DE RESULTADOS 

Los inversores transforman la corriente continua en corriente alterna mediante el switcheo de transistores, esto se aplica en el control de la magnitud y la frecuencia de la señal de salida. Los inversores controlados son de dos tipos: los VSI como son los inversores PWM, los inversores de onda cuadrada, inversores trifásicos y los CSI o inversores fuente de corriente. Los inversores más modernos han comenzado a utilizar formas más avanzadas de transistores o dispositivos similares.

CONCLUSIONES:    

Los inversores tienen la posibilidad de variar la frecuencia en un amplio margen. Este es el caso de los variadores de frecuencia utilizados en la regulación de velocidad de los motores de alterna (asíncronos y síncronos). Utilizan transistores para la conversión de corriente continua en alterna. Pueden ser inversores de fuente de voltaje o inversores de fuente de corriente, los inversores de fuente de voltaje tienen distintas formas de configuración para realizar la conversión. Estos inversores pueden ser de baja, media y alta potencia, esto depende de la aplicación en la que va a ser utilizado el inversor.

RECOMENDACIONES:   

Para tener un mejor control del disparo de los JFET es necesario realizar la programación correspondiente para no tener errores en las formas de onda de activación. Aislar el circuito de control con el de potencia, para mantener en una adecuada operación del controlador aislándolo y protegiéndolo contra cortocircuitos. Se recomienda, utilizar diodos en paralelo a cada JFET para evitar que corrientes dañen al dispositivo, y se obtenga formas de onda equivocadas.

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REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS Y DE LA WEB:

Bibliografía Amunategui, F. (s.f.). Motores ac trifasicos. Recuperado el 03 de Noviembre de 2018, de https://www.feram.cl/busqueda/baldor/motores/motores-actrifasico/motor_electrico_trifasico_30hp_2850rpm-760.2640.html ANONIMO. (s.f.). OPTOACOPLADOR. Recuperado el 03 de Noviembre de 2018, de https://didacticaselectronicas.com/index.php/optoelectronica/optoacopladores/optoacoplador-4n25-detail ARDUINO. (s.f.). Arduino Nano. Recuperado el 03 de Noviembre de 2018, de https://store.arduino.cc/usa/arduinonano ARROW. (s.f.). Transformador de pulsos. Recuperado el 03 de Noviembre de 2018, de https://www.arrow.com/esmx/categories/magnetics/transformers/pulse-transformers Guerrero, O. (06 de Mayo de 2013). INVERSOR DC/AC. Recuperado el 14 de Enero de 2019, de https://es.scribd.com/presentation/139649742/Inversores-Dc-Ac