Escuela Poli Poli técnic a Superio Superio r de Elche Ingeniería de Telecomuni Telecomuni cación
Ar A r ea de d e Tecn Tec n ol o g ía Elec El ectt r ó ni c a
In IngenieríaTécnica de Telecomunicación
Electrónica de Potencia PRÁCTICA 5
SIMULACIÓN DE SISTEMAS DE POTENCIA
I. Estudio de la rectificación trifásica no controlada. I.0. Objetivos.
• Implementar y simular circuitos rectificadores no controlados en líneas trifásicas. • Identificar las tensiones y corrientes en los nodos y las mallas de los circuitos. • Medir tensiones medias y RMS con el simulador y compararlas con los valores teóricos calculados. • Identificar las tensiones de bloqueo máximas y las corrientes de pico en los diodos rectificadores y compararlas con los valores teóricos calculados. I.1. Desarrollo práctico. Se considerará, en primer lugar, el circuito de la siguiente figura.
Fig. 1: Rectificador trifásico de media onda. Dicho circuito representa un puente rectificador trifásico de media onda con diodos. Las tensiones V R , VS y VT son las tensiones de línea (fases) las cuales presentan una dependencia temporal de la forma: V R ( ωt ) = V m sin(ωt ) V S ( ωt ) = V m sin(ωt −
2π 3
)
V T ( ωt ) = V m sin(ωt −
4π 3
)
Para este tipo de rectificador trifásico pueden obtenerse los siguientes valores característicos. Tensión rectificada. Valor medio: V avg =
3 3 V m 2π
Valor eficaz: V rms = V m
1 3 3 + 2 8π
Tensión entre bornes de los diodos. V pk ,diodo =
3 V m
Corrientes en los diodos. i pk ,diodo = I d
i avg =
I d
3
i rms =
I d
3
1. Realiza una simulación con PSIM que recoja el circuito de la figura 1 con las condiciones:
o o
Vm = 220Veff ; f=50Hz ; I d= 10A; PHASE(VS )= -120º; PHASE(VT)= -240º
Visualiza las tensiones rectificada y de línea(V R , VS y VT). Empleando los multímetros DC y AC del simulador completa la tabla siguiente: SIMULADO
CALCULADO
Vavg Vrms Vpk,diodo Ipk,diodo Iavg,diodo Irms,diodo o
o
Indica según la notación de la figura 1 y mediante la visualización de las corrientes en los diodos cuál es la secuencia de conmutación a lo largo de un periodo. Observa el carácter unidireccional de las corrientes de línea. Desde el entorno de visualización obtén el valor del factor de potencia respecto a la fase R. SIMULADO Kp
CALCULADO
2. Realiza una simulación PSIM del circuito de la figura 2.
Fig. 2: Rectificador trifásico no controlado de onda completa (conexión en Y)
Para este tipo de rectificador trifásico pueden obtenerse los siguientes valores característicos. Tensión rectificada. Valor medio:
Vavg =
3 3 Vm π
Valor eficaz: Vrms = V m π +
Tensión entre bornes de los diodos. V pk ,diodo =
3 V m
Corrientes en los diodos. i pk ,diodo = I d
i avg =
Condiciones:
Análisis transitorio.
I d
3
i rms =
I d
3
3 3 3 2 2π
Id = 10A. Tensiones alternas análogas a la simulación anterior.
Estudio de las tensiones o o
o
Visualiza en dos escalas la tensión y la corriente en la fase R. Empleando el entorno de visualización averigua la secuencia de conmutación de todos los diodos del rectificador a lo largo del intervalo comprendido entre 020ms. Obtén los valores medio y eficaz de la tensión rectificada, comparando con los valores calculados. SIMULADO
CALCULADO
Vavg Vrms
o
Obtén el valor de la tensión máxima que soporta cada diodo y comparalo con el valor calculado. SIMULADO CALCULADO Vpk,diodo
Estudio de las corrientes 3. Realiza la simulación anterior con un tiempo máximo de 160 ms. o
Obtén los valores medio y eficaz de la corriente por el diodo D 1. SIMULADO
CALCULADO
Iavg,diodo Irms,diodo o
Obtén los valores medio y eficaz de la corriente de línea y compáralos con los resultados calculados. SIMULADO
CALCULADO
Iavg,linea Irms,linea o
Obtén el factor de potencia para la fase R. Verifica los resultados simulado y teórico. Kp(simulado)
Kp(teórico)
o
Compara la forma de onda de la corriente de línea con la del rectificador trifásico de media onda. Considerando esta corriente ¿Cuáles son las ventajas del montaje en onda completa?
4. Realiza una simulación PSIM del circuito de la figura 3.
Fig. 3: Rectificador trifásico no controlado de onda completa (conexión en Delta) Para este tipo de rectificador trifásico pueden obtenerse los siguientes valores característicos. Tensión rectificada. Valor medio:
Vavg =
3 Vm π
Valor eficaz: Vrms = Vm
Tensión entre bornes de los diodos. V pk , diodo = V m Corrientes en los diodos. i pk ,diodo = I d
i avg =
I d
3
i rms =
I d
3
Condiciones: Análisis transitorio. Id = 10A. Tensiones alternas análogas a la simulación anterior.
3 3 π + 3 2 2π
Estudio de las tensiones o o
o
Visualiza en dos escalas la tensión y la corriente en la fase R. Empleando el entorno de visualización averigua la secuencia de conmutación de todos los diodos del rectificador a lo largo del intervalo comprendido entre 020ms. Obtén los valores medio y eficaz de la tensión rectificada, comparando con los valores calculados. SIMULADO
CALCULADO
Vavg Vrms o
Obtén el valor de la tensión máxima que soporta cada diodo y compáralo con el valor calculado. SIMULADO
CALCULADO
Vpk,diodo Estudio de las corrientes 5. Realiza la simulación anterior con un tiempo máximo de 160ms. o
Obtén los valores medio y eficaz de la corriente por el diodo D 1. SIMULADO
CALCULADO
Iavg,diodo Irms,diodo
o
Obtén los valores medio y eficaz de la corriente de línea y compara con los resultados calculados. SIMULADO
CALCULADO
Iavg,linea Irms,linea o
Obtén el factor de potencia para la fase R. Verifica los resultados simulado y teórico. Kp(simulado)
o
Kp(teórico)
Compara la forma de onda de la corriente de línea con la del rectificador trifásico de media onda y la del rectificador trifásico de onda completa con configuración en Y.
II. Conceptos básicos y simulación de rectificadores controlados. II.0. Objetivos. -
Definir y comprender el funcionamiento del tiristor de potencia a utilizar en las simulaciones. Realizar las simulaciones de circuitos rectificadores controlados básicos. Aprender a ajustar el ángulo de disparo. Identificar las formas de onda fundamentales. Realizar medidas RMS y promedio de las formas de onda. Calcular las tensiones de bloqueo y corrientes máximas en los diodos. Realizar medidas del factor de potencia a partir de la simulación.
II.1. Introducción. En los circuitos rectificadores se pueden sustituir, total o parcialmente, los diodos por tiristores, de forma que se puede conseguir un sistema de rectificación controlada; lo que permitirá la regulación del valor medio de la tensión en la carga. La sustitución del diodo por el tiristor permite retardar la entrada en conducción del mismo, lo cual ocurre no sólo cuando la tensión entre sus bornes es positiva, sino cuando, siendo positiva se inyecta un pulso de cebado a la puerta del tiristor. El parámetro fundamental de estos rectificadores con tiristores será el ángulo de retardo α, de forma que un tiristor conduce con un retardo de tiempo α/ω con relación al instante en el cual conduciría el diodo al que ha sustituido. Control de los tiristores utilizando PSIM. El simulador PSIM, atendiendo a su filosofía de simplificar los circuitos de disparo de los distintos interruptores electrónicos, dispone de un modulo de control y driver para los tiristores llamado alpha controller .
Figura 4. Circuito de control de los tiristores en PSIM.
El controlador dispone de tres terminales de entrada más dos parámetros internos: Señal de sincronismo (SYNC) Ángulo de disparo (ALFA)
Enable /Disable (E/D) Disparo (DISP) Frecuencia Duración del disparo
Se obtiene a partir de la señal de red e indica el punto de conmutación natural de los interruptores. Es la entrada de control del disparo. Debe ir expresada en grados. (Ej. Para α = 30º, se incluye una fuente de tensión DC de valor igual a 30V). Permite habilitar o deshabilitar (V E/D = 1 ó 0) el controlador. Señal de disparo del tiristor. Frecuencia de repetición del disparo Debe venir indicada en grados
II.2. Desarrollo práctico. 1. Realiza la simulación en el dominio temporal del circuito rectificador controlado de media onda que se muestra en la siguiente figura.
Figura 5. Rectificador controlado de media onda. Condiciones:
Vs = 220 Veff; RLOAD = 5 Ω; α = 30º; f = 50 Hz; anchura del pulso de disparo = 0.5ms. Análisis transitorio que incluya: resolución numérica de 50 µs y tiempo máximo 100ms.
o
A partir de la tensión rectificada conseguir una expresión que permita determinar el valor medio en ella. Verifica los resultados simulados y calculados.
SIMULADO
CALCULADO
2. Realiza la simulación temporal del circuito rectificador de la figura 6, con las condiciones:
Vs= 220 Veff, Id= 10 A, α= 60 º, f= 50 Hz, anchura pulso= 180º. Resolución numérica de 50 µs y tiempo máximo 100ms. (Representar las formas de onda a partir de 1ms).
Figura 6. Rectificador totalmente controlado.
Visualizar y la corriente suministrada por Vs ¿Por qué la tensión rectificada presenta en este caso tramos negativos?
A partir de la forma de onda de la tensión rectificada obtén una expresión para el cálculo de su valor medio. Verifica los valores simulados y calculados.
SIMULADO
CALCULADO
Realizar la simulación anterior para los siguientes ángulos de disparo 50º, 90º y 179.8º. Verifica los resultados simulados y calculados para el valor medio de la tensión rectificada.
α /
SIMULADO
CALCULADO
50º 90º 179.8º
A partir de la expresión obtenida para ¿Qué conclusión se puede extraer cuando el ángulo de disparo α > 90º?
III. Simulación de un convertidor DC/DC reductor. III.0. Objetivos.
• Estudio estático de un convertidor conmutado control PWM (modulación del ancho de pulso). • Modelado del conversor y estudio de la estabilidad. • Características dinámicas. III.1. Desarrollo de la práctica. 1. Simulación del convertidor BUCK en lazo abierto (dominio del tiempo).
Figura 7. Convertidor DC/DC reductor en lazo abierto.
Paso de cálculo: 10 µs. Tiempo de simulación: 60ms Condiciones iniciales en los elementos reactivos: Inductor 1.8A – Condensador 9.5V. o
Variar el tiempo de disparo del conmutador principal y obtener la tensión de salida. Ángulo
Ciclo de trabajo
30º 60º 180º 270º 300º
o
o
¿Se cumple la función estática del convertidor reductor?
Fijando un ciclo de trabajo del 50%, representa varios periodos (una vez se haya alcanzado el régimen estacionario) de la corriente por el inductor y de la tensión de salida.
Ciclo de trabajo
∆IL
∆Vo
0.5 o
Realiza distintas simulaciones cambiando la resistencia de carga del convertidor. ¿Qué ocurre con el rizado de la corriente en el inductor? ¿Qué sucede cuando la carga es de 500 Ω? Rload
∆IL
∆Vo
5 50 100 500
o
Atendiendo a las simulaciones anteriores, ¿qué papel crees que juega la resistencia de carga en la dinámica del sistema?
o
Comprueba que cuando se está trabajando en modo CCM la frecuencia de oscilación de la evolución en gran señal es la dada por un filtro LC de segundo orden. MEDIDA
TEÓRICA
f OSC GRAN SEÑAL
2. Simulación de las funciones de transferencia del convertidor BUCK en lazo abierto.
Figura 8. Circuito para el análisis en frecuencia del convertidor en lazo abierto.
Análisis AC El análisis AC en PSIM permite la obtención de las distintas funciones de transferencia empleadas para la caracterización y control de los conversores conmutados. Para la realización del análisis AC en PSIM deben aparecer los siguientes elementos: -
Una fuente sinusoidal la cual es la variable sobre la cual se hace el barrido AC. - El elemento .ACSWEEP, en el cual se definen los principales parámetros del análisis. - Las sondas ACSWEEP_OUT y/o ACSWEEP_OUT2. La primera representa el cociente entre la tensión que marca la sonda y la variable de excitación 1. El segundo tipo de sonda se utiliza para poner en serie dentro del lazo de control y calcular así la función de lazo. Los principales parámetros dentro del análisis AC son los siguientes: Parámetro Start frequency End frequency Number of points Flag for points Source name 1
Descripción Frecuencia inicial del barrido (Hz) Frecuencia final del barrido (Hz) Número de puntos del análisis Si 0, los puntos se distribuyen linealmente en escala logarítmica (log(x)) Si 1, los puntos se distribuyen linealmente en escala lineal Nombre de la fuente de excitación
El simulador representa la ganancia en dB.
⎛
⎞ ⎟⎟ X ⎝ ENTRADA ⎠
amp( X ) = 20 log⎜⎜
X
Start amplitude End amplitude
o
Amplitud de la fuente en la frecuencia inicial de análisis. Este parámetro debe ser lo suficientemente pequeño para aproximar el circuito a un sistema lineal. Amplitud de la fuente en la frecuencia final de análisis. Este parámetro debe ser lo suficientemente pequeño para aproximar el conversor a un sistema lineal.
Obtener la función de control (v O/d) del convertidor reductor representado en la figura xxx, para ello activar en el .ACSWEEP el barrido sobre la variación del ciclo de trabajo (fuente sinusoidal vsind ).
Los parámetros del análisis son: ANÁLISIS AC Start frequency 10Hz End frequency 10kHz Number of points 101 Flag for points 0 Source name vsind Start amplitude 1mV. End amplitude 1mV. CIRCUITO f s 25kHz D modulador 0.999 Amplitud modulador 1V D BUCK 0.5 Vin 20V r C 200mΩ r L 100mΩ HC(jw). Módulo y fase.
o
o
¿Qué valor toma el módulo de la función de control a frecuencias bajas? ¿coincide con el valor teórico?
¿Cuál es la frecuencia de resonancia del convertidor? ¿coincide con el valor teórico?
o
Obtener la impedancia de salida (v O/iO) del convertidor reductor representado en la figura xxx, para ello activar en el .ACSWEEP el barrido sobre la variación del ciclo de trabajo (fuente sinusoidal iout ). ZO(jw). Módulo y fase.
ZO DE SALIDA EN LAZO ABIERTO ZOmax o
¿Qué polos y ceros de la función de transferencia pueden ser identificados en la curva? ¿coincide con los resultados teóricos?
o
Obtener la función de audiosusceptibilidad en lazo abierto (v O/vIN) del convertidor reductor representado en la figura xxx, para ello activar en el .ACSWEEP el barrido sobre la variación del ciclo de trabajo (fuente sinusoidal vin). VO/VIN(jw). Módulo y fase.
VO/VIN EN LAZO ABIERTO VO/VIN|300Hz o
¿Qué polos y ceros de la función de transferencia pueden ser identificados en la curva? ¿coincide con los resultados teóricos?
3. Diseño del compensador en modo tensión, simulación de la función de lazo y funciones de transferencia del convertidor en lazo cerrado. o
La red de compensación a emplear es la que se muestra en la figura xxx.
Figura 9. Compensador del lazo de tensión del conversor reductor o
Obtener la función de transferencia del compensador, asumiendo que R 0 >> R 1 y C2 >> C3.
o
Diseño del compensador.
La táctica de diseño del compensador, una vez obtenida la posición de los polos y ceros del compensador es la siguiente. COMPENSADOR wcero1
1 R2 C 2
w polo1
1 R2 C 3
wcero2
1 R0 C 1
w polo2
1 R1C 1
wintegrador
1 R0C 2
A) El primer polo, w polo1, del compensador se emplea para cancelar el cero introducido por la ESR. B) El segundo polo, w polo2, del compensador se sitúa a una frecuencia igual a la mitad de la frecuencia de conmutación. C) El primer cero, wcero1, se sitúa a un cuarto de la frecuencia de resonancia. D) Finalmente la posición del segundo cero, w cero2,y la ganancia del integrador, wintegrador , se ajustan mediante R 0, de forma que se consiga un ancho de banda y un margen de fase aceptables. En este caso los valores obtenidos: COMPENSADOR R 1 R 2 C1 C2 C3 R 0
1k Ω 47k Ω 15nF 82nF 1nF Ajustar [1k Ω, 10k Ω]
El circuito del conversor en lazo cerrado, empleado para el diseño del lazo es el que se muestra a continuación.
Figura 10. Convertidor reductor en lazo cerrado. Diseño del compensador. o
Representar la función de lazo del convertidor, en módulo y fase, para una R 0 = 1k Ω.
o
Realizar un análisis paramétrico sobre R 0 = 1k Ω, 5k Ω y 10k Ω y obtener la frecuencia de cruce (ancho de banda del sistema en lazo cerrado) y el margen de fase en cada uno de los casos. R 0
f BW
MF
1k Ω 5k Ω 10k Ω o
¿Cuál de los valores de R 0 será el óptimo en el diseño del compensador? Justifica la respuesta.
4. Simulación del convertidor BUCK en lazo cerrado (dominio del tiempo). La simulación en lazo cerrado del conversor nos va a permitir observar el comportamiento del conversor ante perturbaciones como el rizado de entrada y variaciones de carga.
Figura 11. Convertidor reductor en lazo cerrado.
o
Realiza una simulación de una variación de carga de 1A, representa la tensión de salida y rellena la tabla siguiente. Tensión de salida Vo
∆I0
∆VO
testableciento
1A o
Realiza una simulación sumando a la tensión de entrada una componente sinusoidal de 300Hz y amplitud 1V. Representa la tensión de salida cuando se llega al régimen permanente y mide la amplitud de la envolvente. Tensión de salida Vo
