Download Trabajo Práctico N 3 – Funcionamiento de un Inversor Trifásico

UNR – Ingeniería
Departamento de Electrónica
Trabajo Práctico Nro 3 – Funcionamiento de un
Inversor Trifásico alimentando un Motor
Inducción
CurMot’2009
Código: TP-SF1.XX
Objetivos:
•
•
Relevamiento de los componentes y etapas que integran un inversor trifásico.
Visualización de los componentes de potencia y control.
Observación, registro y análisis de las formas de onda en las distintas etapas del
inversor y ante distintas situaciones de funcionamiento de este tipo de cargas, i.e.,
motores de inducción.
Descripción del equipo:
En la Figura 1 se observa un esquema general del inversor trifásico disponible en el
Laboratorio de Control. Es un equipo didáctico de 15 KVA, y una corriente de salida de 23 A. Este
equipo, al ser diseñado para fines didácticos, permite la visualización de las distintas etapas que lo
componen: rectificación, control, inversión, entradas-salidas, así como la posibilidad de medición y
monitoreo de numerosas variables de interés. En equipos industriales, tales variables normalmente no
son accesibles.
Figura 1 –Diagrama de Bloques General del Equipo
Motor:
Se utiliza como carga del inversor un motor de inducción trifásico de 0,37KW de potencia
con sus arrollamientos conectados en triángulo. Su tensión nominal de trabajo es 3 x 220 V y su
corriente nominal es 1,8 A.
Inversor:
Es un inversor trifásico cuyos elementos de conmutación de potencia son IGBTs (Insulated
Gate Bipolar Transistors). Están incluidos en un mismo encapsulado dos IGBTs con sus diodos en
antiparalelo como se observa en la Figura 2.
En la sección de potencia se pueden distinguir las secciones:
- Rectificador trifásico.
- Capacitor de filtro C con su resistencia de descarga R
- Sistema de Frenado dinámico (no es objeto de este trabajo práctico)
- Puente de potencia trifásico con 6 IGBTs
Figura 2 – Circuito de Potencia
Los packs de IGBTs dobles (columnas del inversor) se encuentran conectados a un bus o
barra de continua construido de manera de minimizar la inductancia que aportan los conductores al
circuito (ver Figura 3). Como se muestra en la figura 2, cada pack tiene además conectado en
paralelo y directamente sobre sus bornes de conexión, un capacitor que asegura la limitación de
sobretensiones sobre los semiconductores.
Los semiconductores de potencia se encuentran montados sobre un disipador y la
refrigeración se realiza mediante aire forzado (ventilador).
Figura 3 – Inductancia distribuida en la barra de continua y esquema de un circuito excitador de gate de IGBT
superior.
Placa excitadora
Una placa es dedicada a la excitación de los gates de los IGBTs. Se compone de 6 circuitos
excitadores que incluyen optoacopladores que permiten aislar la sección de potencia del circuito de
control. Los tres circuitos excitadores de los IGBTs cuyos emisores se encuentran conectados en
común al negativo del bus de contínua, (llamados IGBT inf en la Fig. 3), se alimentan de la misma
fuente, ya que su potencial de referencia (0V) es común. Los tres excitadores de los IGBTs cuyos
colectores se encuentran conectados al positivo del bus de contínua, (llamados IGBT sup en la Fig.
3), son alimentados en forma independiente. Esto se hace necesario, ya que sus emisores están
conectados a las salidas del puente inversor, de manera que los circuitos excitadores no comparten el
mismo potencial de referencia común.
Transductores de corriente
Los transductores de corriente son elementos de efecto Hall que pueden medir corriente en
forma aislada. Una de las ventajas de utilizar estos transductores respecto a otros instrumentos de
medición, por ej. TI, es que los mismos pueden medir corriente de baja frecuencia, incluyendo
corriente continua.
Como la alimentación del motor es un sistema trifilar, sólo se miden dos corrientes mediante
los transductores. Una de las funciones incluidas en la placa de control consiste en generar el valor
de la tercera corriente, como una señal que es la suma de las dos corrientes medidas, cambiada de
signo.
Placa de control
En la placa de control se configuran tres lazos independientes. Las señales de entrada a la
placa son dos referencias de corriente, con una diferencia de fase de 120 grados. La placa de control
genera la tercera referencia internamente. La función del control es lograr que las tres corrientes de
salida sigan a las señales de referencia.
Figura 4 – Circuito comparador, con muestreo y generación de tiempos muertos
En la Figura 4 se han representado en forma esquemática las funciones que componen cada
lazo de corriente independiente.
Comparador: su salida es un nivel alto o bajo cuando la referencia es mayor o menor que la
corriente medida (señal provista por el transductor de corriente).
Muestreo: constituida por un flip-flop D que permite cambios en su salida en sincronismo con el
reloj. Permite limitar frecuencia de conmutación de los IGBTs.
Retardos o tiempos muertos: la función de esta sección del circuito es evitar que ambos IGBTs
(superior e inferior) de una misma rama conduzcan simultáneamente. El IGBT que está conduciendo
se abre un tiempo (microsegundos) antes que se cierre el IGBT que va a seguir conduciendo.
Parada/Falla: ante una orden manual de parada o la acción de una protección, se bloquea la
excitación a todos los IGBTs
Equipos e instrumentos necesarios para desarrollar el trabajo.
- Variac monofásico
- Módulo Inversor con control de corriente
- Motor trifásico de 0,37 KW conectado en triángulo
- Generadores (2) de onda senoidal a frecuencia variable
- Osciloscopio de 60 MHz
- PC para guardar los registros del osciloscopio
- Multimetro digital
- Pinza amperométrica
Tareas a realizar:
1. Visualizar e identificar los instrumentos y las partes que componen el equipo. Observar e
identificar en el esquema de circuito de la placa de control las funciones de los circuitos que
conforman el control.
2. Conectar el equipamiento y los instrumentos.
3. Conectar los generadores de señal para proveer dos entradas senoidales a frecuencia y
amplitud variable con desfasaje de 120 grados entre sí.
4. Alimentar el control y activar la habilitación del circuito de control
5. Proveer tensión a través del Variac a la sección de potencia. El motor debe girar.
6. Observar con osciloscopio las referencias de corriente, las corrientes del motor y las señales
lógicas de excitación a los IGBTs. Comparar señales y justificar el funcionamiento observado
en el circuito, relacionado con el índice de modulación PWM.
7. Observar la señal del reloj, medir su frecuencia. Visualizar los tiempos muertos en las señales
de excitación a los IGBTs y medir su duración.
8. Realizar observaciones para diferentes frecuencias y amplitudes de las referencias de
corriente, con diferentes tensiones aplicada a la sección de potencia.
9. Registrar las señales mediante la comunicación del osciloscopio con una PC
Referencias:
[1] de la Barrera, Pablo M.; Curti, Marcelo R.; Forchetti, Daniel G; De Angelo, Cristian H.; Bossio,
Guillermo R; García, Guillermo O.; “Inversor trifásico para control de máquinas eléctricas con
fines didácticos”. AADECA‘2002, Congreso Argentino de Control Automático, ID#42, Septiembre
de 2002.