Inversor Monofasico 92f4m

DISEÑO E IMPLEMENTACION DE UN INVERSOR UTILIZANDO UN MICROCONTROLADOR

PRESENTADO A:

M.Sc. Jaime Guillermo Barrero. Por:

Jota Mario Miranda. Jorge Manuel Barrios. Johan Sebastián Nieto. Reynaldo Andres Ortiz.

ESCUELA DE INGENIERÍAS ELÉCTRICA, ELECTRÓNICA Y DE TELECOMUNICACIONES

Bucaramanga, 30 de August de 2015

Tabla de contenido

Contenido RESUMEN....................................................................................................... 3 INTRODUCCION.............................................................................................. 3 DESCRIPCION DEL PROBLEMA.....................................................................3 OBJETIVOS................................................................................................... 4 Objetivo General:........................................................................................ 4 Objetivos específicos:................................................................................. 4 MARCO TEORICO......................................................................................... 4 TIPOS DE INVERSORES................................................................................ 4 INVERSORES MONOFÁSICOS.......................................................................4 INVERSOR MONOFÁSICO DE MEDIO PUENTE...............................................5 INVERSOR MONOFÁSICO DE PUENTE COMPLETO........................................5 INVERSORES MULTINIVEL............................................................................6 INVERSORES MODULADOS POR ANCHO DE PULSO (PWM)..........................7 PWM............................................................................................................ 7 CONSTRUCCION.......................................................................................... 8 FILTRO DE SALIDA....................................................................................... 9 GENERACION DE SEÑALES DE CONTROL.....................................................9 SIMULACIÓN.............................................................................................. 10 LISTA DE ELEMENTOS................................................................................12 DISEÑO PCB.............................................................................................. 13 OBSERVACIONES....................................................................................... 14 CONCLUSIONES......................................................................................... 14 BIBLIOGRAFIA............................................................................................ 18

RESUMEN Un inversor en un prototipo electrónico que tiene como objetivo convertir un voltaje de DC en una señal sinusoidal AC con una frecuencia previamente seleccionada. Al final de este proyecto tendremos a la entrada del dispositivo un voltaje de DC y se obtendrá a la salida una señal sinusoidal con frecuencia de 60 [Hz]. El diseño se basa en el uso de un Micro controlador el cual implementa una técnica de modulación de ancho de pulso de 3 niveles con una muy buena eficiencia. Las especificaciones de

diseño fueron escogidas para transistores y un puente H que puedan soportar máximo 1000 Vatios. En el proceso de diseño e implementación de este proyecto se evaluaron diferentes fases para su óptimo funcionamiento, se realizaron simulaciones en el software ORCAD para analizar su funcionamiento, posteriormente se diseñó la PCB en KiCad basados en requerimientos de tensión y corriente del circuito.

INTRODUCCION En los últimos años, en Colombia se ha experimentado un crecimiento económico importante. A pesar de este crecimiento, los pobladores que habitan en las zonas rurales de nuestro país aún se encuentran marginados de la modernidad y del desarrollo. Estas personas, que en su mayoría se encuentran en condiciones de extrema pobreza, carecen de a los servicios de infraestructura básica como son el agua potable y la electricidad. Si bien no existe un vínculo estrecho entre la electrificación rural y el crecimiento económico de estas zonas, la carencia del servicio de energía eléctrica es uno de los principales obstáculos para el mejoramiento de la calidad de vida y el desarrollo socioeconómico de estos pobladores. Por ello, la aplicación de adecuadas tecnologías que permitan proporcionar energía eléctrica a las poblaciones rurales permitirá mejorar la calidad de vida de las personas y posibilitar el desarrollo sostenido de estos sectores sociales. Una alternativa tecnológica para la generación de electricidad, que cuenta con un gran potencial debido a las favorables condiciones climáticas de nuestro país, se basa en la conversión de energías renovables no convencionales como la energía solar y la energía eólica. La calidad de la energía eléctrica es un factor importante, las tensiones armónicas son un tipo de perturbación que la norma controla con detalle, estas degradan la calidad de la energía eléctrica ocasionando pérdidas de energía y la reducción de la eficiencia y tiempo de vida útil de diferentes cargas y equipos, por esto además de construir un inversor se intentara reducir al máximo los armónicos.

DESCRIPCION DEL PROBLEMA La asignatura electrónica industrial propone realizar a modo de proyecto de clase un Inversor DC/AC de fácil instalación y de bajo costo. Los materiales utilizados en la construcción de este proyecto incluyen MOSFET, diodos, resistores, capacitores y un microcontrolador que tendrá la tarea de controlar el funcionamiento total del circuito. Cuando se haya completado el diseño y la implementación de este proyecto tendremos un dispositivo el cual toma una tensión en DC y entrega a la salida una onda sinusoidal de 12 [v]AC con una frecuencia de 60 [Hz].

OBJETIVOS Objetivo General: 

Realizar un inversor DC/AC que a partir de una fuente de corriente continua, entregue a una carga una señal sinusoidal de 12 Vrms a una frecuencia de 60 [Hz].

Objetivos específicos: 

Investigar y analizar las diferentes configuraciones de Inversores DC/AC de esta manera seleccionar la más viable en términos de eficiencia y costos.



Simular la configuración seleccionada para verificar los criterios de diseño, utilizando software como Orcad-Pspice y PSIM.



Diseñar e implementar la PCB del circuito simulado mediante software Kicad.



Desarrollar un algoritmo para un microcontrolador el cual genere de manera eficiente y precisa las señales de disparo de los semiconductores.

MARCO TEORICO Un inversor se define como un circuito, que convierte corriente directa en alterna con la magnitud y frecuencia deseada. En el mercado existen diversos tipos de inversores, donde su precio depende de su rendimiento, potencia y además estos pueden ser monofásico o trifásico. Los inversores se utilizan en una gran variedad de aplicaciones, desde pequeñas fuentes de alimentación, pasando por convertir la tensión de una batería de carro en corriente alterna, hasta aplicaciones industriales de alta potencia. También se utilizan para convertir corriente continua generada por es solares fotovoltaicos, acumuladores o baterías, en corriente alterna y así poder ser utilizada en la red eléctrica o en instalaciones eléctricas aisladas (modo isla). Los inversores más eficientes utilizan varios artificios electrónicos para tratar de llegar a una onda que simule razonablemente una onda AC entregada a la carga. Un inversor debe regular la tensión de salida, proporcionando una onda lo más sinusoidal posible, y eliminando al máximo los armónicos.

TIPOS DE INVERSORES Los inversores pueden clasificarse dependiendo de si la red o carga es monofásica o trifásico también pueden ser clasificados según RASHID en inversores de pulso resonantes, modulados por ancho de pulso y multinivel, donde cada uno de estos puede entregar a la red o a la carga una onda cuadrada, una sinusoidal modificada o una sinusoidal pura. A continuación hablaremos brevemente de algunas configuraciones:

INVERSORES MONOFÁSICOS

INVERSOR MONOFÁSICO DE MEDIO PUENTE El inversor de medio puente está conformado por dos transistores, si es un instante se activa en el tiempo To la tensión atreves de la carga es VDC/2 , mientras el otro queda desactivado, al siguiente instante se encuentra y se invierte la secuencia activándose el otro transistor, colocándose en la carga una tensión de VDC/2. El circuito de control debe diseñarse que nunca los dos transistores se activen simultáneamente, la tensión en la carga es una onda AC cuadrada simétrica de periodo T pero su valor rms de la componente fundamental es igual a 0.45 VDC. Su principal desventaja es que uno de sus interruptores no se encuentra referenciado a tierra.

Figura 1.Inversor monofásico de medio puente.

INVERSOR MONOFÁSICO DE PUENTE COMPLETO Este circuito mostrado en la figura 2 está formado por 4 transistores, en un instante de tiempo se activan dos transistores complementarios permitiendo la circulación de corriente en una dirección a través de la carga y los otros dos están completamente desactivados. En el siguiente instante se apagan los dos transistores que estaban encendidos y se activan los otros dos permitiendo la circulación de corriente en la otra dirección; es a la final de este instante que tenemos un ciclo completo ya que en el primer instante aparece sobre la carga a una tensión igual a la de la fuente Vdc y en el siguiente instante aparece una tensión Vdc negativa. El circuito de control debe garantizar que en ningún instante estén encendidos los dos transistores de una misma rama o brazo ya que esto causaría un corto circuito y la destrucción de los componentes. Asumiendo que cada par de transistores está activo solo durante un tiempo T/2, la tensión sobre la carga es una onda cuadrada AC de periodo T y con valor rms igual a Vdc. El valor rms de la componente fundamental 0.90 Vdc.

Figura 2. Inversor monofásico de puente completo.

INVERSORES MULTINIVEL Los inversores multinivel alimentados en tensión han surgido como una nueva opción de convertidor para aplicaciones de alta potencia. El inversor multinivel básicamente sintetiza una onda de tensión en varias tensiones de continua. Existen diferentes topologías de inversores multinivel, sin embargo se pueden clasificar en diferentes estructuras básicas. La función principal de los inversores es generar un voltaje alterno a partir de una fuente de voltaje continua. Ahora, si esa fuente de voltaje continua se dividiese en varias fuentes de menor valor, sería posible generar un voltaje de salida alterno con niveles de tensión escalonados utilizando Inversores Multinivel. Como se mencionó anteriormente, los inversores multinivel constan de pequeñas fuentes DC, las que son usadas para formar una onda AC escalonada que se parezca a la onda deseada. Por ejemplo, si se tienen diez fuentes DC de magnitudes iguales a 20 V cada una, se puede obtener una onda compuesta de 11 niveles (cinco positivos, cinco negativos y cero, con respecto a un punto intermedio entre las diez fuentes) que se aproxima a una onda sinusoidal de amplitud 100V como muestra la figura 4.

Figura 3. Ejemplo de una onda de voltaje de 11 niveles. Con esto se puede concluir, que a mayor número de niveles del inversor, mayor es la cantidad de niveles de la onda, obteniendo menor distorsión armónica.

INVERSORES MODULADOS POR ANCHO DE PULSO (PWM) El otro método común de generación de energía de CA en los convertidores electrónicos de potencia es la modulación de ancho de pulso (PWM),este tipo de inversores corrige los cambios de la carga para adaptarse a ella. El objetivo principal del uso de la tecnología de PWM es controlar la tensión de salida y reducir los armónicos. El patrón en el que el ciclo de trabajo de la Señal PWM varía puede ser generada a través de simples componentes analógicos, un microcontrolador digital o circuitos PWM integrados específicos.

PWM En circuitería analógica , una señal PWM es generada por la alimentación de una referencia y una señal de portadora a través de un comparador que crea la señal de salida basada en la diferencia entre las dos entradas. La referencia es una onda sinusoidal a la frecuencia de la señal de salida deseada. La onda portadora es una onda triangular o diente de sierra que funciona a una frecuencia significativamente mayor que la onda de referencia. Cuando la señal portadora supera la referencia de la salida está en un estado, y cuando la referencia excede el portador de la salida está en el estado opuesto . El proceso se muestra en la siguiente figura:

Figura 4. Portadora(azul), referencia(rojo), salida (verde)

CONSTRUCCION El diagrama de bloques que se muestra a continuación muestra las diversas partes del proyecto y lo que se quiere abordar. El bloque de control es simplemente el Microcontrolador. Este genera tanto el PWM y señales de ondas cuadradas necesarias en el control de los MOSFETs. Las señales de los drivers son utilizadas para conducir los cuatro MOSFETs de canal N en la configuración de puente en H . La señal de salida del puente H se envía luego a través de un filtro LC pasa bajas de modo que el resultado final es una onda sinusoidal pura.

Figura 5. Diagrama de bloques. La salida de onda sinusoidal deseada tiene que estar centrado con respecto a cero, esto se logra usando cuatro MOSFETs de canal N en una configuración de puente H. La dificultad de este sistema es que en los MOSFETs, el voltaje de puerta debe ser mayor al voltaje del drenador. Para cumplir con este requisito, se selecciono el driver IR2110 el cual permite mediante un condensador Bootstrap cumplir este requisito. En la configuración de puente completo, dos de estos dispositivos son necesarios, uno para cada medio puente.

Figura 6. Circuito típico de disparo. Los componentes para los condensadores de arranque y diodo están conectados como se muestra arriba y sus valores se calculan utilizando notas de aplicación International Rectifier. La fórmula para calcular los valores mínimos del condensador de arranque es:

Qg

= Puerta de carga de lado alto.

I qbs = Corriente en reposo para excitador de lado alto circuitos. Qls

= carga turno Nivel requerido por ciclo.

I cbs = Bootstrap corriente del condensador de fuga. f

= frecuencia , 60Hz para el lado izquierdo del puente, 50 kHz para el

lado derecho del puente.

V cc

= tensión de alimentación.

Vf

= Caída de tensión a través del diodo de arranque.

V ls

= Caída de tensión en baja FET.

V min

= Voltaje Mínimo entre Vb y Vs.

FILTRO DE SALIDA El componente final para obtener una señal sinusoidal pura es la implementación de un filtro pasabajas LC como el que se muestra en la figura.

Figura 7. Circuito típico de disparo. El objetivo de este filtro es eliminar el exceso de ruido y obtener la frecuencia deseada de 60 [Hz].

GENERACION DE SEÑALES DE CONTROL El microcontrolador se encargara de generar las cuatro señales de control que dispararan los MOSFETs, dos señales son ondas cuadradas de 60Hz, cada uno a 180 grados de desfase, y dos señales más de 60 Hz con modulación de ancho de pulso que funcionan a una frecuencia de conmutación de 50 kHz, también desfasadas 180 grados. La señal del microcontrolador es de 0 a 3V.

Figura 8. Señales de control.

SIMULACIÓN Dado que en el software Orcad-Pspice se encuentran los modelos de todos los elementos y dispositivos a utilizar se opto por este software y no PSIM, y se realizaron las siguientes simulaciones.

V6

V5

0

V1 V1 = 0 V2 = 3 TD = 0 TR = 1u TF = 1u P W = 8 .3 3 3 m P E R = 1 6 .6 6 6 m 0

2N 2222

0

100

VD D H IN SD L IN VSS H O

VB VS VC C C O M LO

D 1

7 8 9 10 11

C 2 2.2u

D 1N 4002 C 3 56n

0

IR 2 11 0

0 R 10

M 2 IR F 1 5 0

10

0

L1

VC C R 6

0

100 R 3

M 3 IR F 1 5 0

10 2N 2222

R 4

2

1

C 1 181n

R 9 10M eg

VC C

0

1k

389uH

R 13

Q 3

1 2 3 4 5 6

R 5 100

Q 4 2N 2222

0 V1 = 0 V2 = 3 TD = 10u TR = 10n TF = 10n PW = 10u PER = 20u

U 3

2N 2222

V3

0

1 2 3 4 5 6

R 7

1k V1 = 0 V2 = 3 TD = 0 TR = 10n TF = 10n PW = 10u PER = 20u

100

Q 2

M 1 IR F 1 5 0

10 VC C

0

1k V2 V1 = 0 V2 = 3 T D = 8 .3 3 3 m TR = 1u TF = 1u P W = 8 .3 3 3 m P E R = 1 6 .6 6 6 m 0

R 8 Q 1

R 1

24V dc

R 11

12Vdc

R 2 1k

0

VC C

VC C

0

U 4 VD D H IN SD LIN VSS H O

VB VS VC C C O M LO

7 8 9 10 11

D 1N 4002 C 5 56n

0

IR 2 1 1 0

D 2

C 4 2 .2 u

0 R 12

V4

M 4 IR F 1 5 0

10

0

0

Figura 9. Montaje en Orcad Capture. En este esquema se intento analizar el comportamiento del integrado IR2110 pero se generaba un error en el subcircuito del IR2110, cuyo modelo pspice fue descargado directamente desde la pagina de International Rectifier. Posteriormente, aprovechando las bondades y riesgos nulos de la simulación se conectaron directamente señales de control sin modulación a la puerta de los mosfets obteniendo el siguiente resultado: 10V

0V

-10V

-20V 0s

5ms

10ms

15ms

20ms

25ms

30ms

35ms

V(M2:D,R9:2) Time

Del resultado anterior se observa que se genera una onda cuadrada de 60 Hz, por lo que posteriormente se genero de manera analógica y en simulación, dos señales de control moduladas con el objetivo de aproximarse mayormente a una onda senoidal y disminuir la THD así:

V5

100 Q 1

R 1 V1 = 0 V2 = 3 TD = 1u TR = 1u TF = 1u P W = 8 .33 3 m P E R = 1 6 .6 6 6 m

8

+

1

O U T 2

V-

-

0

VO FF = 0 VAM PL = 10 F R E Q = 60

T L 0 8 2 /3 0 1 /T I

-8 .0 0 0 V

0V

1k

0

+

3 8 8.8 u H V+

C 46 . 5 0 9 V

2 .1 1 6 V

1k

181n 1 7 5.4 m V

Q 3

U 7 IR F 1 3 0 /H A

2 N 2 2 2 2 A /Z T X 7 8 3 .7 m V

R 14 10m eg

5 2 .5 4 V 0V

R 8

0 2 .5 1 7V

T L 0 8 2 /3 0 1 /T I

V19

R 4 1k

4

6 .3

V-

U 8

100

-8 .0 0 0 V

V21

4 .5 0 9V

8 V-

2 1 .2 2 5f V -

1 7 0 .0V IR F 1 3 0 /H A

V15

1

O U T

0

U 6

1 2 .0 0 V

L1

R 3

0 .2 4

V+

3

1 2 .0 0 V

2 N 2 2 2 2 A /Z T X 1 3 .6 6 n V

R 7

8 .8 1 7V

U 14A

VO FF = 0 VAM PL = 10 F R EQ = 60

100

100

8

0V

IR F 1 3 0 /H A

Q 2

6 .3

8 .0 0 0 V 8

V20

1k

V22

V7

0

V1 = 0 V2 = 10 TD = 5u TR = 10u TF = 1n P W = 5u PER = 10u

V8

4

0V

2 .5 1 7V

170

U 5

R 6

V2 V1 = 0 V2 = 3 TD = 8 .3 3 3 m TR = 1u TF = 1u P W = 8 .33 3 m P E R = 1 6 .6 6 6 m

0

1 2 .0 0V

2 N 2 2 2 2 A /Z T X 1 3 .6 6 n V

R 2

V+

0V

V4

V1 = 0 V2 = 10 TD = 0 TR = 10u TF = 1n PW = 5u PER = 10u

3

0V

V9

8 .0 0 0 V 8 U 9A

V1

V6

R 5

12

1 7 5 .4m V

Q 4

IR F 1 3 0 /H A

2 N 2 2 2 2 A /Z T X 7 8 3 .7 m V

V24 8

8 .8 1 7 V 0 .2 4

0

0

2 .1 1 6V

0 0V T it le

0

< T it le >

S iz e A

D ocum ent N um ber

D a te :

R ev

F r id a y , J a n u a r y 3 0 , 2 0 1 5

Sheet

1

of

1

Figura 11. Esquema con modulación. Obteniendo el siguiente resultado: 100V

0V

-100V

-200V 0s

V(L1:2,C6:1)

5ms

10ms

15ms

20ms

25ms

Time

Figura 12. Simulación con modulación. Y la distorsión armónica total arrojada por el software fue: NO

(HZ)

COMPONENT

COMPONENT

(DEG)

PHASE (DEG)

1

6.000E+01

2.032E+01

1.000E+00 -9.043E+01

0.000E+00

2

1.200E+02

3.850E+01

1.894E+00 -5.573E+01

1.251E+02

3

1.800E+02

2.586E+01

1.272E+00

1.359E+02

4.072E+02

4

2.400E+02

3.874E+00

1.906E-01 -1.777E+01

3.440E+02

5

3.000E+02

1.804E+00

8.878E-02 -1.057E+02

3.464E+02

6

3.600E+02

2.342E+00

1.152E-01 -3.068E+01

5.119E+02

30ms

7

4.200E+02

5.616E+00

2.763E-01

4.729E+01

6.803E+02

8

4.800E+02

9.529E+00

4.688E-01 -1.418E+02

5.816E+02

9

5.400E+02

5.553E+00

2.732E-01

8.743E+02

10

6.000E+02

2.244E+00

1.104E-01 -1.022E+02

6.038E+01

8.021E+02

TOTAL HARMONIC DISTORTION = 1.076305E+01 PERCENT JOB CONCLUDED TOTAL JOB TIME

428.25

LISTA DE ELEMENTOS

Cantida d

Componente

Costo unitario

Costo total

4

Mosfet IRFP150N

8000

32000

2

Diodos 1n4007

300

600

4

Resistencia [100Ω]

50

200

4

Resistencia [1000Ω]

50

200

4

Resistencia [10Ω]

50

200

2

Capacitor [2.2F]

50

100

2

Capacitor [56nF]

50

100

2

Driver IR2110

6000

12000

4

2N3904PNP BJT

100

600

1

MSP430G2553

3000

3000

Total

$ 49.000

Tabla 1. Elementos y costos.

DISEÑO PCB Una vez realizado el proceso de simulación, se llevo a cabo el diseño de la PCB en el software Kicad, a continuación se presenta con detalle el esquemático, y el diseño en 3D del circuito.

Figura 13. Circuito esquemático.

Figura 14. Vista 3D.

OBSERVACIONES 

La labor de simulación se vio marcada por distintos factores. Entre las mayores dificultades que encontró el grupo fue la utilización en el software ORCAD del dispositivo IR2110 el cual a la hora de correr la simulación presentaba fallas de funcionamiento. Debido a esto el grupo tuvo que acudir a una solución provisional para apreciar el funcionamiento del circuito.



Las simulaciones se realizaron en 2 software distintos para tener mayor visión del funcionamiento PSIM y ORCAD. Finalmente se opto por ORCAD de Candence el cual presentaba mayores facilidades.



para poder simular con el modelo completo es necesario realizarlo con las versiones más recientes ya que en modelos antiguos no funciona.



eliminar la señal 3 y 4 es muy complicado analógicamente, porque no encontramos un circuito analógico en físico para poderlo analizar.

CONCLUSIONES Para lograr optimización en un proceso, es necesario tener en cuenta los aspectos de calidad, diseño, economía y estética, si una de estas características falla, todo el proceso en general falla y los resultados se ven opacados y no cumplen los estándares de calidad mínimos requeridos. Es absolutamente necesario identificar las etapas para elaborar un aceptable inversor, es necesario analizar el tipo de entradas, funcionamiento del Micro controlador, y determinar si la salida es lo esperado. es muy importante la exactitud en las señales de control, sobre todo las señales 3 y 4 , para poder obtener una señal a la salida lo mas semejante posible a una señal senoidal de 60 (hz). la distorsión armónica a la frecuencia central de 60 (hz) está más ligado a las señales de control que a las producidas por otros dispositivos dentro del circuito.

BIBLIOGRAFIA [1] Doucet, J., Eggleston, D., & Shaw, J. (2007). DC/AC Pure Sine Wave. Worcester: WPI.

[2] Fairchild Semiconductor. (2011, October). 2N3904 NPN General Purpose Amplifier. Fairchild Semiconductor Corporation.

[3] International Rectifier. (2005, March 23). R2110(-1-2)(S)PbF/IR2113(-1-2) (S)PbF High and Low Side Driver. El Segundo, California, USA: IR World Headquarters.

[4] International Rectifier. (2007, March 23). Application Note AN-978. El Segundo, California, USA: IR World Headquarters.