TRABAJO COLABORATIVO No 2

ELECTRONICA INDUSTRIAL

ALUMNOS

HEIDY JOHANA CASTAÑEDA COD: 10496188549

LUIS ALBERTO CASTAÑO COD:

VICTOR MAURICIO JAIME COD: 74382018

ARNULFO RIVERA COD:

OLMAN MANRIQUE RAMIREZ COD. 7231124

TUTOR: CARLOS ALBERTO VERA

GRUPO: 299019-24

UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA “UNAD”

ESCUELA DE CIENCIAS BASICAS, TECNOLOGIA E INGENIERIA

PROGRAMA DE INGENIERIA INDUSTRIAL

2013

INTRODUCCIÓN

La generación de una señal alterna (CA) a partir de una fuente de corriente Directa (DC) es

uno de los procesos de conversión de potencia eléctrica más empleados en la actualidad.

Entre sus aplicaciones cabe mencionar el control de motores de inducción, control de

motores de imán permanente, sistemas de iluminación de emergencia y auto trónica. Otro

campo de gran demanda para los inversores es el de los sistemas de alimentación

ininterrumpidos que permiten la operación segura de cargas críticas como los sistemas

satelitales, equipo para control de tráfico aéreo, nodos de Internet, transacciones bancarias y

equipos para soporte de la vida, entre otros.

OBJETIVOS

Diseñar un convertidor DC-AC monofásico (inversor) que se alimenta a 120 V DC basado en IGBT, utilizando microcontrolador, para controlar la conmutación de los transistores de potencia.

Desarrollar el software de programación en lenguaje asembler

Simular el circuito en Proteus

DESARROLLO DE ACTIVIDADES

MATERIALES Y MÉTODOS

1. Diseñar un convertidor DC-AC monofásico (inversor) que se alimenta a 120 V DC

basado en IGBT, utilizando microcontrolador, para controlar la conmutación de los

transistores de potencia. Debe desarrollar el software de programación en lenguaje

asembler, que cumpla con las siguientes condiciones:

a. Rango de frecuencia: 0 a 1000 Hz

b. Carga resistiva bombilla de 100 W.

c. El microcontrolador será el PC16F87

d. Debe simular con Proteus.

¿Qué es un inversor?

También conocido como convertidor CD-CA, variador de frecuencia (en aplicaciones

industriales) etc.; Es un dispositivo diseñado para convertir una señal de CD a una señal de

CA. Lo anterior lo realiza mediante una configuración de transistores, MOSFETS, IGBT´s,

SCR o algún dispositivo de conmutación de este tipo. Configuración de un inversor tipo

puente completo y onda de salida PWM 2 muescas y UPWM.

¿Dónde se usa un inversor?

Sus aplicaciones son muy variadas, algunas son las siguientes: Fuentes ininterrumpibles

(UPS) para PC o equipos críticos, Variadores de velocidad para motores CA (con todas las

ventajas que esto implica), circuitos electrónicos para lámparas fluorescentes (balastros y

derivados) Hornos de fundición de acero, etc. Como se podrán imaginar, dependiendo de

cada aplicación es diferente la configuración y los dispositivos de potencia a emplear así

como el circuito de control.

DESCRIPCIÓN GENERAL DEL CIRCUITO INVERSOR

El circuito tiene como función controlar la inversión del tipo de potencia entregada a una

carga de 100W, a partir de un voltaje de 120Vdc. Los elementos de conmutación son IGBT

conectados en configuración de puente H, para la conmutación los IGBT se utiliza un circuito

driver que permite adaptar los niveles de voltaje necesarios en las compuertas de cada IGBT

con respecto a su emisor. Para controlar la secuencia de conmutación de los IGBT se utiliza

un microcontrolador PIC16F87, el cual recibe el valor de la frecuencia requerida, y lo

convierte en su equivalente de tiempo, para así generar la secuencia de conmutación en los

intervalos de tiempo preciso.

Diagrama de bloques del sistema.

SELECCIÓN DE LOS COMPONENTES

IGBT: Para la selección de este se tienen en cuenta los siguientes aspectos:

Voltaje de trabajo

V=120Vdc

Corriente de trabajo

P=VI⇒ I= PV

=100W120V

=0.833 A

Teniendo en cuenta las características de voltaje y corriente, se selecciona la referencia

IRG4BC10KD de International Rectifier para los cuatro IGBT del puente H, este permite

manejar máximo 5A.

Se debe tener en cuenta que el voltaje suministrado a la carga no va a ser efectivamente

120Vrms (Onda cuadrada), ya que el IGBT presenta una caída de voltaje entre colector y

emisor de 2.39V cuando esta encendido, esto limita el voltaje de la carga a un valor de:

V carga=120V−2.39V=117.61V

DRIVER PARA IGBT: En este caso se utilizan circuitos driver de referencia IR2112, los

cuales permiten manejar transistores MOSFET o IGBT, en configuración de medio puente, es

decir, un transistor conmuta el voltaje positivo y otro transitar conmuta el voltaje negativo o

tierra. El fabricante sugiere el siguiente esquema para manejar una pareja de IGBT por

medio del driver.

Arreglo sugerido por el fabricante

En este caso como la configuración a utilizar es un puente H, se requieren dos circuitos

IR2112, cada uno de alimentados con 5V en el terminal Vdd, 15V en el terminal Vcc, el 0V en

el terminal Vss. En el esquema el capacitor entre los terminales VB y VS, es necesario

(capacitor bootstrap) ya que permite manejar el IGBT de arriba (denominado comúnmente

HIGH SIDE), el valor típico es de 1uF y el diodo que se utiliza no tienen requerimientos

especiales, en este caso se emplea un 1N4007 que es de uso general. Las resistencias en

las compuertas pueden ser omitidas. El terminal SD permite apagar el driver es decir que las

salidas queden apagadas por tanto este pin se mantendrá conectado a tierra.

INTERFAZ DE CONTROL: Para la interfaz de control se utilizaran tres displays de 7

segmentos y tres pulsadores. Los displays serán manejados por medio del driver CD4543, el

cual permite manejar directamente los LED de los displays. El control de la visualización se

realizara por multiplexado.

DESCRIPCIÓN DEL FIRMWARE PARA EL CONTROL DEL INVERSOR

PERIFERICOS DEL MICROCONTROLADOR

El firmware utiliza los siguientes periféricos del microcontrolador:

a) PUERTOS DE ENTRADA/SALIDA:

PORT A: Utilizado para enviar las señales de control a los drivers de los IGBT, y un pin

es utilizado para Multiplexar los cuatro displays de 7 segmentos.

PORT B: Utilizado para recibir las señales de los botones, para enviar el código BCD que

se visualizara en el display, y un pin es utilizado para Multiplexar los cuatro displays de 7

segmentos.

b) MÓDULO DE COMPARACIÓN:

CCP1: Se utiliza para generar los tiempos adecuados de conmutación de los IGBT.

c) TEMPORIZADORES:

Timer1: Se utiliza en conjunto con el CCP1 (para generar los tiempos adecuados de

conmutación de los IGBT) este módulo es la base de tiempo para el comprador.

Timer2: Se utiliza para generar la base de tiempo de la sección que selecciona y muestra

el ángulo de disparo actual. 1mS por ejecución de código.

SECCIÓN DE GENERACIÓN DE LAS SEÑALES DE CONTROL

Esta sección del programa está realizada teniendo en cuenta interrupciones, de tal manera

que cuando una interrupción ocurra por el módulo CCP1, el microcontrolador enviara los

voltajes de excitación dependiendo cuales IGBT deben activarse y desactivarse. La rutina

verifica el estado en el que se encuentra la secuencia y de acuerdo a ello, asigna el valor que

debe enviarse a los IGBT.

SECCIÓN PARA LA SELECCIÓN DE LA FRECUENCIA.

El intervalo de frecuencias de operación está entre 0 y 1000Hz, por fines prácticos el

firmware se desarrolló con 22 valores de frecuencia diferente que son:

Frecuencia (Hz) Frecuencia (Hz) Frecuencia (Hz) Frecuencia (Hz)

1 40 100 700

2 50 200 800

5 60 300 900

10 70 400 1000

20 80 500

30 90 600

Entonces, el firmware se encarga de escoger los valores que configuraran el TMR1 para que

pueda generar la frecuencia deseada. Los tres componentes más importantes de esta

sección son:

El manejador de los displays de 7 segmentos: Es un algoritmo que muestra

secuencialmente los dígitos correspondientes a la frecuencia (unidades, decenas,

centenas, miles, unidades,…), generada por el convertidor DC AC.

El botón de incremento: Es un algoritmo que detecta un cambio de nivel (equivalente a

presionar o soltar el botón) en el pin del botón, genera una temporización (para evitar el

ruido mecánico provocado por el botón) y finalmente si el botón fue presionado,

incrementa el valor de la frecuencia según la tabla diseñada.

El botón de decremento: Es un algoritmo que detecta un cambio de nivel (equivalente a

presionar o soltar el botón) en el pin del botón, genera una temporización (para evitar el

ruido mecánico provocado por el botón) y finalmente si el botón fue presionado,

disminuye el valor de la frecuencia según la tabla diseñada.

El botón de encendido/apagado: Es un algoritmo que detecta un cambio de nivel

(equivalente a presionar o soltar el botón) en el pin del botón, genera una temporización

(para evitar el ruido mecánico provocado por el botón) y finalmente si el botón fue

presionado apaga o prende el convertidor DC AC, dependiendo del estado en que se

encuentre este último.

PROGRAMA PARA EL PIC 16F873

LIST P=16F873INCLUDE<P16F87.INC>

AUX EQU 20H

ORG 0000HGOTO INICIO

ORG 0004HBTFSS PIR1,2GOTO PULSABTFSC AUX,0GOTO FRE0BTFSS PORTB,1GOTO SNEGBCF PORTB,1NOPBSF PORTB,2CLRF TMR1HCLRF TMR1LBCF PIR1,2RETFIE

FRE0 BCF PORTB,1

NOPBSF PORTB,2CLRF TMR1HCLRF TMR1LBCF PIR1,2RETFIE

SNEG BCF PORTB,2NOP

BSF PORTB,1CLRF TMR1HCLRF TMR1LBCF PIR1,2RETFIE

PULSA BTFSS PORTB,6GOTO PERIBTFSS PORTB,7GOTO PERDBCF INTCON,2RETFIE

PERI MOVF CCPR1H,0SUBLW 0XF4BTFSS STATUS,2GOTO TBMOVF CCPR1L,0SUBLW 0X24BTFSS STATUS,2GOTO TBBSF AUX,0

BCF INTCON,2

RETFIE

TB INCF CCPR1L,1BTFSC STATUS,2INCF CCPR1H,1BCF INTCON,2RETFIE

PERD BCF AUX,0MOVF CCPR1H,0BTFSS STATUS,2GOTO TTBMOVLW 0X3DSUBWF CCPR1L,0BTFSS STATUS,2GOTO TTBBCF INTCON,2RETFIE

TTB DECF CCPR1L,1MOVF CCPR1L,0UBLW 0XFFBTFSC STATUS,2DECF CCPR1H,1BCF INTCON,2RETFIE

INICIO BSF STATUS,5MOVLW 0XF9MOVWF TRISBCLRF OPTION_REGBSF PIE1,2BCF STATUS,5MOVLW 0X0AMOVWF CCP1CONMOVLW 0X31

MOVWF T1CONMOVLW 0X02MOVWF PORTBMOVLW 0X23MOVWF CCPR1LMOVLW 0X01MOVWF CCPR1HMOVLW 0XE0MOVWF INTCON

NADA NOPNOPNOPGOTO NADAEND

DISEÑO EN PROTEUS

El principal objetivo de un inversor es el de permitir la conversión de potencia de corriente continua en potencia de corriente alterna, que puede tener frecuencia variable, con el fin de alimentar cargas que requieren una señal alterna. La estructura propuesta para el inversor se basa en tres bloques funcionales: el bloque de potencia, el de transformación y el de control, los cuales brindan la facilidad de observar y manipular paso a paso todo el proceso de inversión eléctrica. 

Bloque de potencia.

Es el corazón del sistema y su objetivo es el de generar una señal cuadrada bipolar a partir de la señal continua entregada por la fuente de alimentación. En la práctica este bloque se puede considerar como una matriz de interruptores electrónicos los cuales, al ser activados adecuadamente, permiten invertir el flujo de corriente a través de la carga; de esta manera se obtienen los dos semiciclos de la señal cuadrada, cuya amplitud sería igual al valor de la fuente CC si no existieran pérdidas en el circuito. Existen varios dispositivos que pueden emplearse como interruptores de potencia: el SCR, el BJT y el MOSFET de potencia son algunos de ellos. En este caso se optó por utilizar transistores de compuerta aislada, IGBTs, los cuales son muy populares en la actualizad para aplicaciones de media y alta potencia. El IGBT seleccionado trae integrado el diodo en anti paralelo, que puede soportar una tensión entre colector y emisor de hasta 600 V y conmutar una corriente de 32 A, valores adecuados al los requerimientos del circuito. 

Bloque de control.

Es el encargado de generar las dos señales que gobiernan la activación y desactivación de los transistores de potencia, función que puede ser cumplida por un simple circuito oscilador de onda cuadrada. Sin embargo, en este caso se decidió utilizar un micro controlador, lo cual provee una mayor flexibilidad a la hora de aplicar técnicas de control como la modulación por ancho de pulsos, PWM, y facilita la variación de la frecuencia en el rango deseado. 

Bloque de transformación.

Este bloque se encarga de llevar la señal alterna generada por el bloque de potencia a la amplitud requerida por la carga que se quiere alimentar. Esto permite adaptar el mismo transformador tanto a la configuración del inversor en puente como a la de transformador de toma media, ya que sus terminales se encuentran accesibles al usuario. 

SEÑAL DE RESPUESTA

CONCLUSIONES

Como resultado de este trabajo se desarrolló el prototipo de un inversor monofásico didáctico, con IGBTs conectados en la configuración puente, el cual entrega una señal cuadrada de frecuencia variable entre 0 a 1000 Hz, con una potencia de 100 W.

Para el disparo de los semiconductores de potencia se usó un microcontrolador, el cual facilita, flexibiliza y optimiza la operación y el manejo del inversor tanto en el aspecto técnico como en el didáctico. Una ventaja adicional es que, a partir del mismo hardware, bastará con una modificación del programa para estudiar otras estrategias de control de inversores como la modulación por ancho de pulsos.

El Inversor se estructuró en bloques funcionales que permiten la interacción del usuario con las señales de control y potencia, facilitando el acceso a los diferentes componentes del prototipo, lo cual minimiza el efecto de caja negra y permite afianzar los conceptos impartidos en teoría. Así mismo, el inversor se desarrolló con microcontroladores e IGBTs que, aparte de ser dispositivos tecnológicamente actualizados, permiten ilustrar la complementariedad de la electrónica de potencia con la electrónica digital.

BIBLIOGRAFÍA

http://upcommons.upc.edu/pfc/bitstream/2099.1/13521/1/Memoria%20y

%20anexos.pdf

http://www.alldatasheet.com/view.jsp?Searchword=PIC16F873

http://www.linguee.es/ingles-espanol/traduccion/igbt+inverter.html