Electrónica de Potencia

PRÁCTICA 5

SIMULACIÓN DE SISTEMAS DE POTENCIA

Escuela Politécnica Superior de Elche

Ingeniería de Telecomunicación

Area de Tecnología Electrónica Ingeniería Técnica de Telecomunicación

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 VR, VS y VT son las tensiones de línea (fases) las cuales presentan una dependencia temporal de la forma:

( )R mV Vt sin tω ω= ( ) ( )S mV Vt sin tω ωπ

= −( )2

3 ( )T mV Vt sin tω ω

π= −( )

4

3

Para este tipo de rectificador trifásico pueden obtenerse los siguientes valores característicos. Tensión rectificada.

Valor medio: avgmV

V=

3 32π

Valor eficaz: rms mV V= +12

3 38π

Tensión entre bornes de los diodos. pk diodo mV V, = 3 Corrientes en los diodos.

pk diodo di I, = avgdi

I=

3 rms

diI

=3

1. Realiza una simulación con PSIM que recoja el circuito de la figura 1 con las condiciones:

Vm = 220Veff ; f=50Hz ; Id= 10A; PHASE(VS )= -120º; PHASE(VT)= -240º

o Visualiza las tensiones rectificada y de línea(VR, VS y VT). o 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 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.

o Desde el entorno de visualización obtén el valor del factor de potencia respecto a

la fase R. SIMULADO CALCULADO

Kp

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: avgmV V=

3 3π

Valor eficaz: rms mV V= +ππ

3 32

32

Tensión entre bornes de los diodos. pk diodo mV V, = 3 Corrientes en los diodos.

pk diodo di I, = avgdi

I=

3 rms

diI

=3

Condiciones:

Análisis transitorio.

Id = 10A. Tensiones alternas análogas a la simulación anterior.

Estudio de las tensiones

o Visualiza en dos escalas la tensión y la corriente en la fase R. o Empleando el entorno de visualización averigua la secuencia de conmutación de

todos los diodos del rectificador a lo largo del intervalo comprendido entre 0-20ms.

o 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 D1. 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: avgmV V=

3π

Valor eficaz: rms mV V= +π

π33

23

2

Tensión entre bornes de los diodos. pk diodo mV V, = Corrientes en los diodos.

pk diodo di I, = avgdi

I=

3 rms

diI

=3

Condiciones: Análisis transitorio. Id = 10A. Tensiones alternas análogas a la simulación anterior.

Estudio de las tensiones

o Visualiza en dos escalas la tensión y la corriente en la fase R. o Empleando el entorno de visualización averigua la secuencia de conmutación de

todos los diodos del rectificador a lo largo del intervalo comprendido entre 0-20ms.

o 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 D1. 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) Kp(teórico)

o 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) Se obtiene a partir de la señal de red e indica el

punto de conmutación natural de los interruptores.

Ángulo de disparo (ALFA) 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).

Enable /Disable (E/D) Permite habilitar o deshabilitar (VE/D = 1 ó 0) el controlador.

Disparo (DISP) Señal de disparo del tiristor. Frecuencia Frecuencia de repetición del disparo Duración 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 50µs 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

<VRload>

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

<v0>

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 / <v0> SIMULADO CALCULADO

50º

90º

179.8º

A partir de la expresión obtenida para <v0> ¿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: 10µs.

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 <Vo>

30º

60º

180º

270º

300º

o ¿Se cumple la función estática del convertidor reductor?

o 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 500Ω?

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

fOSC 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 excitación1. 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 Descripción Start frequency Frecuencia inicial del barrido (Hz) End frequency Frecuencia final del barrido (Hz)

Number of points Número de puntos del análisis Flag for points Si 0, los puntos se distribuyen linealmente en escala

logarítmica (log(x)) Si 1, los puntos se distribuyen linealmente en escala lineal

Source name Nombre de la fuente de excitación 1 El simulador representa la ganancia en dB.

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

ENTRADAXXXamp log20)(

Start amplitude 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.

End amplitude 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.

o Obtener la función de control (vO/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 fs 25kHz

D modulador 0.999 Amplitud modulador 1V

D BUCK 0.5 Vin 20V rC 200mΩ rL 100mΩ

HC(jw). Módulo y fase.

o ¿Qué valor toma el módulo de la función de control a frecuencias bajas?

¿coincide con el valor teórico?

o ¿Cuál es la frecuencia de resonancia del convertidor? ¿coincide con el valor

teórico?

o Obtener la impedancia de salida (vO/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 (vO/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 R0 >> R1 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

22

1CR

wpolo1

32

1CR

wcero2

10

1CR

wpolo2

11

1CR

wintegrador

20

1CR

A) El primer polo, wpolo1, del compensador se emplea para cancelar el cero

introducido por la ESR. B) El segundo polo, wpolo2, 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, wcero2,y la ganancia del integrador, wintegrador, se ajustan mediante R0, de forma que se consiga un ancho de banda y un margen de fase aceptables.

En este caso los valores obtenidos:

COMPENSADOR R1 1kΩ R2 47kΩ C1 15nF C2 82nF C3 1nF R0 Ajustar [1kΩ, 10kΩ]

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

R0 = 1kΩ.

o Realizar un análisis paramétrico sobre R0 = 1kΩ, 5kΩ y 10kΩ 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.

R0 fBW MF

1kΩ

5kΩ

10kΩ

o ¿Cuál de los valores de R0 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