Informe Inversor Push-Pull DC-AC PDF

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Diseño y simulación de un Inversor de tensión DC-AC tipo Push-Pull en lazo abierto.Felipe Palta 1 1 Ingeniería Electrónica y Telecomunicaciones.Universidad Autónoma de Occidente, Cali, Colombia 1 felipe_palta@outlookAbstract- En el siguiente informe de laboratorio se presenta el análisis y diseño de...

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Diseño y simulación de un Inversor de tensión DCAC tipo Push-Pull en lazo abierto. Felipe Palta1 1

Ingeniería Electrónica y Telecomunicaciones.

Universidad Autónoma de Occidente, Cali, Colombia [email protected]

Abstract- En el siguiente informe de laboratorio se presenta el análisis y diseño de un inversor de tensión DCAC topología Push-Pull en lazo abierto, el cual suministra una tensión de salida máxima semejante a la de la red eléctrica convencional nacional 120Vrms @ 60Hz, con posibilidad de reducción a la tensión de la salida variando el ancho de pulso en la conmutación de la fuente de DC. Se muestra la realización del análisis lógico para el diseño de los circuitos controladores de variación del ancho de pulso, los cuales se acoplan directamente a los dispositivos de conmutación utilizados IGBT’s. Por otra parte, también se muestra el análisis de impedancias de salida del circuito, con el objetivo de lograr una tensión en la señal de salida con tendencia sinusoidal pura, haciendo uso entonces, del diseño y cálculo de filtros pasivos sintonizados a las frecuencias armónicas principales 180Hz, 300Hz y 420Hz (3ero, 5 to y 7mo armónico), además de un filtro pasivo final Paso-Bajas con frecuencia de corte a 60Hz. Se presenta el cálculo de las bobinas del transformador (primario, secundario) haciendo uso del anterior análisis de impedancias, observando finalmente la señal de salida deseada de 170Vp @ 60Hz con disipación sobre la carga máxima de 5kW. I. MARCO TEORICO

Los convertidores DC-AC o también conocidos como inversores, tienen como función principal cambiar una tensión de entrada en DC a una tensión de salida en AC, donde la tensión y frecuencia de salida pueden ser fija o variable. En los inversores ideales teóricos, las formas de onda de la tensión de salida deben de ser sinusoidales, sin embargo en los inversores de construcción real no lo son totalmente, porque dichas ondas de salida contienen cierto contenido armónico (frecuencias múltiplos de la frecuencia fundamental) que distorsionan la onda de salida. Para baja y mediana potencia es aceptable ondas de salida cuadradas o casi cuadradas con contenido armónico alto, pero para aplicaciones de alta potencia si se requiere

necesariamente ondas de salida de baja distorsión. Gracias a los dispositivos semiconductores de potencia de alta velocidad, se puede minimizar el contenido armónico de la señal de salida mediante las técnicas de conmutación. El uso de los inversores es común en aplicaciones industriales tales como la propulsión de motores de AC, calefacción por inducción, fuentes de respaldo y SAI (sistemas de alimentación interrumpible). Los inversores se clasifican en:  

Inversores monofásicos. Inversores trifásicos.

Por lo general cada tipo de inversor hace uso de diferentes dispositivos de conmutación y entre estos se destacan el uso de BJT, MOSFET, IGBT, MCT, SIT, GTO o tiristores de conmutación forzada. Para realizar la conmutación de los dispositivos se utilizan generalmente señales PWM o SPWM dependiente de la aplicación y el fin deseado. El principio de funcionamiento básico de un inversor a fin de cuentas es sencillo, porque consta de hacer uso de interruptores ideales (dispositivos conmutadores), los cuales durante un determinado tiempo de conducción suministran energía de una fuente DC, que al alternar su funcionamiento crean salidas generalmente cuadradas con saturación +VCC y -VCC con un gran contenido armónico que posteriormente al ser ingresado en una serie de filtros, da la posibilidad de obtener una señal con tendencia sinusoidal pura como tensión de salida. Para realizar una mejor explicación acerca del funcionamiento de los inversores se realiza un pequeño análisis a la Fig.1 para dar a entender mejor el principio de funcionamiento anteriormente descrito.

carga RL. Lo anterior producirá entonces una tensión de salida sobre la carga de saturación +VCC/2, como se muestra en la Fig.3.

Figura.1 Configuración inversor medio-puente o Half-Brigde.

Mediante la Fig.1, se puede observar una topología básica de un inversor denominado medio puente, en el cual se puede ver dos dispositivos conmutadores que se encargan de suministrar mediante un determinado tiempo, energía de VDC/2 dependiendo si Q1 o Q2 están en periodo de conducción o no. Como se puede observar, existe una fuente DC principal VDC, de la cual derivan dos alimentaciones exactamente a la mitad Figura.3 Señal de tensión de salida sobre la carga cuando Q1 se de esta mediante un divisor de tensiones capacitivo. encuentra en conducción y Q2 abierto. Por tanto, el funcionamiento del esquemático presentado en la Fig1. depende de la conmutación de Q1 y Q2. En el caso más básico de funcionamiento, cuando la señal de control de Q2 es el complemento de Q1, se obtendrá una señal cuadrada de salida debido al siguiente análisis de tiempos sobre la Fig.1 Transistor Q1 (complemento):

encendido

y

Q2

apagado

Transistor Q2 (complemento):

encendido

y

Q1

apagado

Por tanto, como para este caso particular una señal es el complemento de la otra, entonces existirá el momento en el cual Q1 tengo un nivel bajo para lo que Q2 tendrá un nivel alto y entrará en conducción generando una polarización del circuito del medio puente de la siguiente manera mostrada mediante la Fig.4, así:

Si las señales de control determinan un comportamiento como el descrito, entonces la representación del circuito del medio puente será como la mostrada por la Fig.2, así:

Figura.4 Dinámica de las corrientes y funcionamiento del circuito con Q2 en conducción y Q1 abierto.

Entonces, de esta manera análoga a la anterior se puede observar mediante la Fig.4 el flujo de corriente Figura.2 Dinámica de las corrientes y funcionamiento del circuito producido por la conducción de Q2, lo que genera con Q1 en conducción y Q2 abierto. inmediatamente una tensión sobre la carga de –VCC/2 Como se puede observar de la Fig.2 la entrada en debido a que la referencia de la carga quedo en el mismo conducción del transistor Q1 genera un flujo de punto donde se encontraba anteriormente (signo – rojo) corriente sobre este, dejando inmediatamente en y de esta manera entonces, se termina de completar la polarización inversa al diodo D1, y dando una señal de tensión de salida de la carga. Por tanto, se polarización directa como se muestra en la Fig.2 a la

puede observar mediante la Fig. 5 como se completa la señal de onda cuadrada, así:

Por tanto simplificando dicha ecuación y haciendo uso del algebra y calculo infinitesimal, se puede encontrar que la tensión eficaz es: 𝑉𝐶𝐶 𝑉𝑅𝑀𝑆 = 2

Es decir, la tensión para una onda cuadrada periódica, es su tensión pico, que en este caso es VCC/2. De esta manera entonces, se puede observar que los inversores básicos como, el de generación de onda cuadrada como este, son útiles y sencillos de realizar teniendo una batería o fuente DC. El problema verdadero de los inversores, no radica en si, en la generación de la conmutación de las fuentes de DC, sino en lograr tener una señal sinusoidal pura que Figura.5 Señal de tensión de salida sobre la carga cuando Q2 se solo posea su mayor amplitud a la frecuencia encuentra en conducción y Q1 cerrado. fundamental de trabajo. Por ejemplo, el gran problema Por tanto, como se puede observar, si el patrón de las de alimentar un dispositivo con la señal mostrada en la señales de control se repite periódicamente con periodo Fig.5 es su alto contenido armónico. Este se representa Ts y ciclo útil del 50% se puede obtener señales mediante la Fig.6. totalmente cuadradas con amplitud de VCC/2. Este tipo de señal alterna es útil para algunas aplicaciones en específico donde se requiera alimentar cargas donde se permita contener armónicos con frecuencias más altas que la fundamental, por ejemplo bombillos, algunos motores entre otros. Cabe destacar que la señal de salida ideal es VCC/2, pero esto sucede bajo el supuesto de que no existe perdidas sobre el circuito, incluyendo la tensión que se Figura.6 Contenido armónico para una señal cuadrada periódica con un Duty 50%, con frecuencia fundamental a 60Hz. genera entre los terminales del dispositivo conmutador. Una señal como la anterior posee una tensión eficaz requerida por los dispositivos para funcionar la cual se puede obtener aplicando el concepto de valor eficaz o RMS sobre una señal periódica, así: 𝑇 1 𝑉𝑅𝑀𝑆 = √ ∙ ∫ (𝑦(𝑡))2 ∙ 𝑑𝑡 𝑇 0

(1)

Sabiendo que la función tiene dos valores diferentes: uno +VCC/2 desde 0 hasta Ts/2 (Ciclo útil 50%) y – VCC/2 desde Ts/2 hasta T, entonces: 𝑉𝑅𝑀𝑆

=√

𝑇𝑠

1 2 1 𝑇 𝑉𝐶𝐶 2 𝑉𝐶𝐶 2 ) ∙ 𝑑𝑡 ) ∙ 𝑑𝑡 + ∙ ∫𝑇𝑠(− ∙ ∫ (+ 2 𝑇 2 𝑇 0 2

Como se puede observar de la Fig.6 este tipo de señales posee un alto contenido armónico a las distintas e infinitas frecuencias impares (n= 1, 3, 5, 7, 9, 11... etc.) de la frecuencia fundamental, cosa que no es deseable para un sistema que necesita de alimentación puramente sinusoidal donde su contenido armónico solo se limita a la frecuencia fundamental o primer armónico. Por tanto, con el fin de encontrar cada vez más una semejanza con la señal sinusoidal se ha transformado y rediseñado la forma en la cual se genera las señales de conmutación para este tipo de circuitos inversores encontrado cada vez que la técnica de modulación dará la naturaleza de la señal AC de salida, y así mismo su contenido armónico.

Por ejemplo, si para el circuito del medio puente se llegase a aplicar una lógica de conmutación en la cual, la señal de activación de Q2 no fuera la negada de Q1, sino al contrario, señales independientes donde exista la posibilidad de que los dos conmutadores estuvieran apagados, habría un tiempo donde la carga no recibiría señal y entonces la señal de salida seria 0V en ese instante provocando una señal con forma de onda de salida parecida a la llamada onda escalonada, mostrada mediante la Fig.7.

cual se utilizan otras topologías como lo son Push-Pull, la cual funciona con un transformador1. A continuación se muestra la configuración de un inversor Push-Pull, mediante la Fig.8

Figura.8 Configuración inversor tensión DC-AC Push-Pull.

Si la Fig.8 se observa con bastante detenimiento, se puede mirar que el funcionamiento de la dinámica de las Figura.7 Señal de salida escalonada de un inversor utilizando una corrientes no difiere demasiado al medio puente, a técnica de conmutación donde en algún momento los conmutadores excepción de que cada vez que uno de los dispositivos dejan de funcionar a la vez. conmutadores este conduciendo, la tensión que se Si se aplica a la Fig.6 la ecuación (1), se encuentra que observa sobre la carga dependerá inmediatamente de la tensión VDC y la relación de transformación (a) del la señal tendrá una tensión eficaz o RMS, igual a: transformador. 𝑉𝑝 𝑉𝑅𝑀𝑆 = ∙ √𝜋 − 2 ∙ 𝛼 (2) 𝑉𝐷𝐶 𝑁2 √𝜋 (3) 𝑉𝑂𝑈𝑇 = = 𝑉𝐷𝐶 ∙ 𝑁1 𝑎 De (2), se puede apreciar que sí 𝛼 se vuelve cero, es decir no hay ningún momento en el cual ninguno de los Por otra parte sencillamente se pueden obtener señales conmutadores esté apagados al tiempo, la señal de salida de tensión más elevadas pero iguales a las figuras 5 y 7 VRMS será exactamente a la de una señal cuadrada, es (cuadrada y escalonada), por lo que esto depende decir el Voltaje pico (Vp). Entonces, uno de los motivos únicamente del tipo de conmutación que se desee más importantes por el cual se utiliza este tipo de realizar dependiendo la aplicación en específico (En conmutación es tratar de generar una señal que análisis y diseño se presentará información concisa posteriormente sea más fácil de filtrar para poder acerca de esto). obtener de una manera más eficiente una respuesta de Por último, la eliminación de armónicos se realiza con una señal sinusoidal más pura con contenido armónico filtros pasivos analizando lo que se necesita y haciendo único. uso de (4). Una de las maneras de obtener mayor tensión y por 𝑍 = √(𝑋𝑐)2 + (𝑋𝑙)2 + (𝑅)2 (4) ende mucha más potencia a la salida sobre la carga es aumentar la tensión de la fuente VCC de entrada, lo cual puede ser tedioso y complicado de lograr en aplicaciones industriales de inmensa potencia, por lo 1 Se puede modificar la relación de vueltas del transformador de tal manera que se puede amplificar tensión según se desee.

De (4), Z es la impedancia del filtro, Xc la reactancia capacitiva, Xl la reactancia inductiva y R la impedancia resistiva del mismo. (En análisis y diseño se presentará información concisa acerca de esto). II. ANÁLISIS Y DISEÑO

inversor en medio puente y estas son: la posibilidad de aumentar la tensión de entrada VDC en un factor requerido para la aplicación debido a la relación de vueltas (a) que el transformador tenga y más aún la posibilidad de obtener a la salida un aislamiento totalmente galvánico dejando separadas la parte de control sobre el circuito y potencia como tal.

Ahora, como los requisitos principales son realizar un circuito inversor de tensión DC-AC, el cual permita controlar el ancho de pulso de una señal escalonada como la mostrada en la Fig.7 y que además de esto, posea una tensión pico máxima de salida de Vp=170Vp @60Hz con una disipación de carga máxima de 5kW, se planteó entonces una metodología descrita a continuación:

Una vez habiendo escogido que la topología a utilizar era Push-Pull es necesario entonces saber cuánto es el valor VDC de la tensión requerido como entrada al inversor.

De antemano es fácil observar que, la potencia de salida requerida es bastante elevada, e inmediatamente se puede calcular la carga requerida, para tal disipación de potencia máxima, así:

Siendo (5), la ecuación que describe la forma de onda de salida, Vo es cuadrada y haciendo uso de las sumas consecutivas mediante las series de Fourier, se obtiene que:

Trabajando con la tensión eficaz de la tensión de salida: 170𝑉𝑝 2 ) √2 = 2.89Ω 𝑅= 5𝑘𝑊 (



Diseño de las señales de control para los dispositivos conmutadores.

𝑉𝑛 =

2 ∙ 𝑉𝐷𝐶 ∙ (1 − 𝐶𝑜𝑠(𝑛 ∙ 𝜋)) (5) 𝑛∙𝜋

Por tanto de (5), se puede observar que como la señal de salida deseada a solo su componente fundamental 60Hz debe de tener una amplitud de 170Vp, entonces Lo cual inmediatamente provoca una demanda de inmediatamente se puede obtener el valor de la tensión corriente: VDC requerido para cumplir dicho objetivo. 120𝑉𝑅𝑀𝑆 𝐼𝑅𝑀𝑆 = = 41.5225 𝐴𝑅𝑀𝑆 La componente fundamental se presenta en n=1, por 2.89Ω tanto de (5): Por tanto, entonces bajo estas condiciones de trabajo, se 2 ∙ 𝑉𝐷𝐶 ∙ (1 − (−1)) 4 ∙ 𝑉𝐷𝐶 procedió a realizar un análisis sencillo sobre que = 𝑉1 = (6) 𝜋 𝜋 inversor era más conveniente utilizar. 

Selección del tipo de inversor DC-AC

Para la selección del tipo de inversor a utilizar se partió de la necesidad de realizar un inversor robusto, el cual pudiese tener una estabilidad bastante confiable. Por tanto, se pudo observar que mientras el inversor en medio puente no ofrece una relación directa entre las tierras del circuito de control y el circuito de potencia, el circuito de la topología Push-Pull si lo ofrece, ya que sus tierras de las señales de control son comunes a la fuente de alimentación VDC del inversor, y por tanto el diseño de dichas señales es mucho más sencillo. Además de lo anterior, también se puede observar (Fig.8) perfectamente que el solo uso de un transformador como medio de transmisión de la energía de la fuente VDC ofrece dos ventajas más satisfactorias sobre el uso de un

170𝑉𝑝 ∙ 𝜋 = 133.518𝑉 4

Despejando de (6) VDC, entonces: 𝑉𝐷𝐶 =

De (3), se puede observar que ese factor de tensión de entrada si así se desea puede ser amplificado o reducido según se desee. Para este caso se tomará un factor de a=1, es decir una relación 1:1 donde solo se proporcione aislamiento galvánico debido a que la tensión VDC requerida no es demasiado exagerada como para amplificarla. Los dispositivos escogidos para la conmutación fueron IGBT’s CM100DY-12E los cuales soportan una tensión entre colector emisor de 1200V y una corriente de colector de 100A. Debido a que en el proceso de

conmutación los IGBT’s soportan sobre colector-emisor una tensión del doble de la fuente es decir aproximadamente 268VDC, estos dispositivos de manera robusta soportan dicha tensión. Entonces, una vez escogido los dispositivos de conmutación a utilizar IGBT’s, se procedió al diseño de las señales de conmutación para estos mismos, teniendo como criterio anteriormente nombrado, lograr una onda de señal escalonada, como la mostrada en la Fig.7 que posteriormente será filtrada para obtener una sinusoidal pura. Inmediatamente, se observa entonces que la técnica de conmutación para lograr este objetivo debe de permitir tener instantes donde ninguno de los dos IGBT’s conmuten, para así lograr la señal escalonada deseada a la salida del devanado del transformador secundario.

Siendo entonces 60Hz, la frecuencia de la señal triangular, su periodo viene dado, así: 1 𝑇 = 60𝐻𝑧 = 16.6667𝑚𝑠

De donde por supuesto el tiempo de subida y bajada de dicha señal deben de ser de T/2 para poder así obtener la señal triangular, es decir Ts=8.33333ms y Tb=8.33333ms. La Fig.9 muestra la implementación en el software Pspice.

Bajo la anterior premisa, y como condición inicial, el poder obtener una variación en el ancho de pulso, se piensa en la obtención de dichos pulsos cuadrados (conmutación) mediante una comparación de una señal oscilante como lo es una triangular y un nivel de referencia DC, que por supuesto pueda ser modificado Figura.8 Creación de la señal triangular moduladora AC a 60Hz. para cumplir con dichos requerimientos. Por tanto, siendo esta señal triangular VTRI, la señal Sabiendo de antemano, que la tensión de activación de moduladora que se va a comparar con un nivel de un dispositivo conmutador IGBT, es similar a la de un referencia DC, se puede observar e inferir MOSFET, se fija inmediatamente una tensión de fuente inmediatamente que al ser comparada con una tensión DC de 15V para así poder lograr obtener pulsos de del voltaje pico de VTRI exactamente a la mitad es decir saturación máxima a 15V los cuales lleguen a los 7.5V, se obtendrá por el simple funcionamiento del terminales de compuerta-emisor del IGBT y permita una comparador una señal cuadrada con una ancho de pulso conmutación satisfactoria. Además de lo anterior, esta exactamente al 50% y una frecuencia de salida igual a la misma fuente será utilizada como alimentación para el de la señal moduladora VTRI, es decir 60Hz. Para circuito de generación de dichos pulsos. entender más fácilmente lo anteriormente mencionado Como se había nombrado anteriormente, “la naturaleza se presenta la Fig.9, donde explica la comparación que de conmutación definirá la onda de salida del inversor” se desea realizar. se creó entonces una señal triangular la cual tuviese una frecuencia de 60Hz y amplitud pico de 15V. En la implementación real de dicho circuito, se podría haber generado una señal cuadrada mediante un oscilador de relajación y una posterior integración para la obtención de dicha señal triangular (La integral de una señal cuadrada es una señal triangular), pero se parte de la utilización y ayuda de las herramientas que el simulador Pspice brinda como lo es Vpulse, donde sus parámetros pueden ser ajustados para la creación de señales como este tipo.

Figura.9 Creación de la señal cuadrada a 60Hz con Duty 50% mediante la comparación de la señal VTRI y un nivel dc.

Por tanto, hasta el momento se puede asegurar que se tiene una señal de conmutación la cual puede ser variad su acho de pulso, dependiendo que tanto se altere el nivel DC de referencia. Para ser coherente con los tiempos de conmutación de las señales, lo que se genero fue una sencilla lógica en la cual se pueda obtener dos señales de conmutación que posean el mismo ancho de pulso pero con intervalos de tiempo de apagado entre las dos cuando su ancho de pulso ...