PFC Antonio Anton Lopez

7/24/2019 PFC Antonio Anton Lopez

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UNIVERSIDAD CARLOS III MADRID

ESCUELA POLITCNICA SUPERIOR

Dpto. de TECNOLOGA ELECTRONICA.

Grupo de Sistemas de Electrnica de Potencia

DISEO DE UN SOFTWARE PARA EL CLCULO DEPRDIDAS EN UN AC-DC-AC

PROYECTO FIN DE CARRERA

INGENIERA TCNICA INDUSTRIAL

Especialidad ELECTRICIDAD

AUTOR: ANTONIO ANTN LPEZ

TUTOR: ISABEL QUESADA REDONDO

M CARMEN RAGA ARROYO

Mayo 2010


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AGRADECIMIENTOS

Tras tanto y tanto tiempo por fin todo llega a su finy esta fase de la vida no va a ser distinto.

Por ello quiero agradecer a todas las personasque me han ayudado ha hacer este proyecto,

empezando por mis dos tutoras, por suinhagotable paciencia, pasando por toda mi

familia y terminando por mi novia, graciaspor vuestro apollo e infinita paciencia.

GRACIAS.


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DISEO DE UN SOFTWARE PARA EL CLCULO DE LAS PRDIDAS EN UN AC-DC-AC II

INDICE

1 Objetivos................................................................................................................................. 22 Introduccin. ........................................................................................................................... 6

2.1 Estructura rectificador-inversor....................................................................................... 6

2.1.1 Rectificador.................................................................................................................72.1.2 Condensador electroltico........................................................................................... 82.1.3 Inversor.......................................................................................................................92.1.4 Disipador................................................................................................................... 10

2.2 Estado de la tcnica......................................................................................................10

2.2.1 Semisel. .................................................................................................................... 112.2.2 Iposim. ...................................................................................................................... 152.2.3 Melcosim................................................................................................................... 182.2.4 Conclusiones. ........................................................................................................... 20

2.3 Solucin propuesta. ...................................................................................................... 20

3 Fundamentos tericos del dimensionado de componentes................................................. 24

3.1 Puente rectificador. ....................................................................................................... 24

3.1.1 Rectificador trifsico de media onda. .......................................................................243.1.2 Rectificador trifsico de doble onda (puente trifsico) ............................................. 25

3.2 Condensador................................................................................................................. 30

3.2.1 Introduccin. ............................................................................................................. 303.2.2 Rango de potencias.................................................................................................. 313.2.3 Aspecto mecnico y ensamblaje. .............................................................................323.2.4 Temperaturas nominales de funcionamiento, 85C frente a 105C. ........................ 333.2.5 Clasificacin capacidad frente a tensin. ................................................................. 333.2.6 La ESR y el rizado de la corriente frente a la tensin. ............................................. 333.2.7 Factores que limitan la vida del condensador. ......................................................... 333.2.8 Clasificacin del grado de degradacin en la vida de los condensadores............... 333.2.9 Ecuacin de Arrhenius.............................................................................................. 343.2.10 Durabilidad o vida de un condensador................................................................. 343.2.11 Temperatura en el ncleo del condensador.........................................................353.2.12 Variacin de la ESR con la temperatura y la frecuencia...................................... 363.2.13 La ESR para rizados de corriente no sinusoidales. ............................................. 363.2.14 Capacidad de un condensador electroltico de aluminio. .................................... 373.2.15 El electrolito.......................................................................................................... 383.2.16 Dimensionado del condensador para un rizado especfico. ................................ 42

3.3 Inversor. ........................................................................................................................ 43

3.3.1 Conceptos generales................................................................................................ 443.3.2 Tipo de forma de onda.............................................................................................. 453.3.3 IGBT..........................................................................................................................473.3.4 Diodo.........................................................................................................................59

3.4 Disipadores. .................................................................................................................. 68

3.4.1 Propagacin del calor............................................................................................... 693.4.2 Equivalente elctrico................................................................................................. 693.4.3 Temperatura mxima de la unin, Tj mx. ..................................................................743.4.4 Potencia mxima disipable, Wat. .............................................................................753.4.5 Clculo de Rdde diodo rectificador. .........................................................................753.4.6 Ventilacin forzada. .................................................................................................. 773.4.7 Impedancia Trmica. ................................................................................................77

4 Estructura del programa de clculo......................................................................................84

4.1 Toma de datos. ............................................................................................................. 85


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DISEO DE UN SOFTWARE PARA EL CLCULO DE LAS PRDIDAS EN UN AC-DC-AC III

4.2 Etapas de clculo..........................................................................................................86

4.2.1 Rectificador...............................................................................................................874.2.2 Condensador. ........................................................................................................... 894.2.3 Inversor..................................................................................................................... 904.2.4 Radiador o disipador................................................................................................. 94

4.2.5 Base de datos........................................................................................................... 955 Resultados............................................................................................................................ 98

5.1 Rectificador. .................................................................................................................. 98

5.2 Condensador............................................................................................................... 101

5.3 Inversor. ...................................................................................................................... 103

5.3.1 Estudio comparativo de Semisel e Iposim..............................................................1075.3.2 Comparacin entre Iposim y Semisel..................................................................... 119

6 Conclusiones y trabajos futuros. ........................................................................................1227 Estudio econmico. ............................................................................................................ 124

7.1 Costes de desarrollo. .................................................................................................. 124

7.2 Presupuesto del proyecto. ..........................................................................................1248 BIBLIOGRAFIA [9]..............................................................................................................1259 ANEXOS............................................................................................................................. 127

9.1 ANEXO 1..................................................................................................................... 128

9.2 ANEXO 2..................................................................................................................... 132

9.3 ANEXO 3..................................................................................................................... 135

9.3.1 Manual del programa Iposim. .................................................................................1359.3.2 Manual Semisel. ..................................................................................................... 135


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INDICE DE FIGURAS

DISEO DE UN SOFTWARE PARA EL CLCULO DE LAS PRDIDAS EN UN AC-DC-AC IV

INDICE DE FIGURAS

Las figuras han sido nombradas primero con la numeracin correspondiente al captulodel presente proyecto, seguido de la posicin que ocupa en dicho captulo, se ha elegido estesistema para una rpida y sencilla localizacin de las mismas.

Figura 2.1 Esquema general de rectificador-inversor. ..................................................................... 6

Figura 2.2 Diagrama de bloques de un rectificador controlado y su correspondiente curva tensinfrente a la intensidad de salida......................................................................................................... 7

Figura 2.3 Esquema de un rectificador trifsico de doble onda....................................................... 8

Figura 2.4 Construccin de un condensador electroltico de aluminio. ........................................... 9

Figura 2.5 Representacin simblica de un inversor....................................................................... 9

Figura 2.6 Parmetros de entrada del programa Semisel para el clculo de las prdidas en uninversor trifsico. ............................................................................................................................ 12

Figura 2.7 Diferentes mens de diseo del Semisel...................................................................... 13

Figura 2.8 Men de seleccin del esquema a utilizar de Semisel. ................................................ 14

Figura 2.9 Detalle de la grfica potencia media frente a la intensidad eficaz por rama de IGBTmostrada por el programa Iposim. ................................................................................................. 16

Figura 2.10 Men principal del programa Iposim basado en Excel............................................... 17

Figura 2.11 Base de datos del programa Iposim, en el que se aprecian los cinco huecos paraintroducir nuevos componentes. .................................................................................................... 18

Figura 2.12 Pantalla principal de trabajo del programa Melcosim. ................................................ 19

Figura 2.13 Error mostrado cuando se caduca la versin de prueba............................................ 19

Figura 3.1 Rectificador trifsico de media onda.............................................................................24

Figura 3.2 Circuito de un rectificador trifsico de doble onda con transformador. ........................ 25

Figura 3.3 Estado de conduccin de los didos de un rectificador trifsico de onda completa. ..... 26

Figura 3.4 Formas de onda del puente rectificador trifsico formado por seis diodos. ................. 26

Figura 3.5 Formas de onda de la intensidad y la tensin a la salida del rectificador. ................... 27

Figura 3.6 Esquema de un inversor: (a) diagrama de bloques de una etapa de potencia tpica deun inversor. (b) Esquema de un inversor trifsico. (c) Formas de onda de la intensidad tpica en elcondensador. (d) Espectro de frecuencia de la corriente de la onda del condensador para losdistintitos valores del ciclo de trabajo d.......................................................................................... 31

Figura 3.7 De izquierda a derecha, condensador para soldar, enchufable y de terminales detornillo. ............................................................................................................................................32

Figura 3.8 Condensador de placas paralelas. ............................................................................... 37

Figura 3.9 Elementos que forman un condensador electroltico....................................................40

Figura 3.10 Funcionamiento bsico de un condensador electroltico............................................ 40

Figura 3.11 Resistencia frente a la temperatura de las diferentes partes que forman uncondensador electroltico y el total de las mismas......................................................................... 41

Figura 3.12 Capacidad y ESR frente al tiempo.............................................................................. 42

Figura 3.13 Curva que se obtiene a la salida del rectificador. .......................................................42

Figura 3.14 Curva que se obtiene a la salida del rectificador una vez que la se ha aproximado a

una recta......................................................................................................................................... 42


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INDICE DE FIGURAS

DISEO DE UN SOFTWARE PARA EL CLCULO DE LAS PRDIDAS EN UN AC-DC-AC V

Figura 3.15 Clasificacin de inversores por el tipo de alimentacin............................................. 44

Figura 3.16 Representacin de la seal de referencia, de la seal triangular y de la seal PWMobtenida de compara ambas.......................................................................................................... 46

Figura 3.17 Esquema de las potencias de disipacin en un mdulo de IGBTs. ........................... 48

Figura 3.18 Esquema de un inversor trifsico................................................................................ 50Figura 3.19 Esquema de una rama de un inversor trifsico. ......................................................... 50

Figura 3.20 Fase de un convertidor con salida sinusoidal segn modulacin por ancho de pulso......................................................................................................................................................... 51

Figura 3.21 Prdidas en conduccin frente a la conmutacin de los tiempos muertos................. 53

Figura 3.22 a) Cuanto ms adelante este ms disipa (tdead = 5 s, Tj = 125 C) b) Cambiandoprdidas (fsw = 10 kHz, Tj = 125 C). ............................................................................................ 55

Figura 3.23 a) Circuito bsico de un convertidor con IGBTs y diodos de libre circulacin, b)Desfase entre la corriente de la carga y la tensin de salida. ....................................................... 56

Figura 3.24 a) y b) Prdidas en estado de conmutacin y conduccin en un IGBT y en un diodo

de libre circulacin en un VSI.........................................................................................................57Figura 3.25 Representacin de la intensidad de colector ICfrente a la tensin colector-emisor VCE,as como la representacin del clculo grfico de la tensin umbral colector-emisor VTOtambinexpresada como VCE0. .................................................................................................................... 58

Figura 3.26 Simbologa del diodo................................................................................................... 60

Figura 3.27 Modelos estticos del diodo a) Modelo ideal b) Primera aproximacin c) Segundaaproximacin, modelo real. ............................................................................................................ 60

Figura 3.28 Simbologa empleada normalmente en electrnica de potencia................................ 60

Figura 3.29 Parmetros en estado de bloqueo y tensiones inversas en el diodo. ........................ 61

Figura 3.30 Potencia instantnea disipada por el diodo en conmutacin......................................62

Figura 3.31 Variacin de la capacidad interna en funcin de la tensin inversa........................... 63

Figura 3.32 Curva de un diodo en su paso de conduccin a su estado de corte.......................... 64

Figura 3.33 Forma de onda de la corriente por el diodo, segn el valor del factor de suavizado, S......................................................................................................................................................... 65

Figura 3.34 Curvas caractersticas de la tensin y la corriente en un diodo en el proceso derecuperacin inversa. ..................................................................................................................... 68

Figura 3.35 Resistencias trmicas y temperaturas, localizadas en un montaje real. .................... 70

Figura 3.36 Equivalente elctrico, para el estudio de la disipacin de calor. ................................ 71

Figura 3.37 Curva de reduccin de Potencia de disipacin........................................................... 72

Figura 3.38 Ejemplo de radiador existente en el mercado junto a su curva caracterstica C/Wfrente longitud................................................................................................................................. 74

Figura 3.39 Grficas para el diodo rectificador. Potencia a disipar en funcin de la intensidadmedia para distintos factores de forma y distintas temperaturas del encapsulado en funcin de latemperatura ambiente para diferentes valores de resistencia encapsulado-ambiente. ................ 76

Figura 3.40 Modelo trmico media................................................................................................. 78

Figura 3.41 Equivalencia elctrica del circuito. ..............................................................................78

Figura 3.42 Temperatura de la unin en funcin del pulso aplicado. ............................................ 79

Figura 3.43 Forma de onda de la seal de disparo de un transistor. ............................................ 79

Figura 3.44 Impedancia trmica normalizada para trenes de pulsos de larga duracin, en funcinel ciclo de trabajo............................................................................................................................ 80


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INDICE DE FIGURAS

DISEO DE UN SOFTWARE PARA EL CLCULO DE LAS PRDIDAS EN UN AC-DC-AC VI

Figura 3.45 Impedancia trmica normalizada, r(t) para un solo pulso, en funcin de la duracin deste, ton ........................................................................................................................................... 81

Figura 4.1 Cdigo de colores del programa...................................................................................84

Figura 4.2 Detalle de los datos a introducir pertenecientes a la simulacin objeto de estudio. .... 85

Figura 4.3 Detalle de los parmetros que se deben introducir para aadir un nuevo componenteen la base de datos. ....................................................................................................................... 86

Figura 4.4 Detalle del programa de clculo de prdidas de cada una de las fases en las que sedivide. .............................................................................................................................................87

Figura 4.5 Hoja del clculo del rectificador trifsico....................................................................... 88

Figura 4.6 Detalle del funcionamiento de la hoja de clculo del rectificador. ................................ 89

Figura 4.7 Representacin de la hoja perteneciente al clculo del condensador. ........................ 90

Figura 4.8 Esquema bsico del inversor empleado en el programa desarrollado......................... 90

Figura 4.9 Representacin de la hoja perteneciente al clculo del inversor.................................. 91

Figura 4.10 Detalle en la representacin de la hoja del inversor de la lista despegable del ndicede modulacin por amplitud. .......................................................................................................... 92

Figura 4.11 Representacin de la hoja del programa correspondiente al clculo del radiador..... 94

Figura 4.12 Representacin de la hoja perteneciente a la base de datos del programa diseado......................................................................................................................................................... 95

Figura 5.1 Representacin del circuito trifsico en el programa de simulacin Psim.................. 102

Figura 9.1 Esquema de conexiones de los mdulos de IGBTs para el ejemplo 1. .................... 128

Figura 9.2 Esquema de conexiones de los mdulos de IGBTs para el ejemplo 2. .................... 128

Figura 9.3 Valores y resultados obtenidos al introducir los parmetros de prueba en el programadesarrollado para el mdulo SKM75GD123D..............................................................................129

Figura 9.4 Valores y resultados obtenidos al introducir los parmetros de prueba en el programadesarrollado para el mdulo SKM100GD063D............................................................................ 130


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INDICE DE TABLAS

DISEO DE UN SOFTWARE PARA EL CLCULO DE LAS PRDIDAS EN UN AC-DC-AC VII

INDICE DE TABLAS

Las tablas han sido nombradas primero con la numeracin correspondiente a su captuloen el presente proyecto, seguido de la posicin que ocupa, se ha elegido este sistema para unarpida y sencilla localizacin de las mismas.

Tabla 2.1 Diferentes mens de diseo del Semisel....................................................................... 13

Tabla 2.2 Resumen de las principales ventajas e inconvenientes de cada aplicacin estudiada. 20

Tabla 3.1 Comparacin de los tres tipos de condensadores ms usados en inversores depotencia..........................................................................................................................................32

Tabla 3.2 Constantes dielctricas y el grosor mnimo de dielctricos usados en varios tipos decondensadores............................................................................................................................... 38

Tabla 3.3 Tabla de resistencias trmicas....................................................................................... 73

Tabla 3.4 Valores tpicos de la temperatura mxima de la unin Tj mxdependiendo del dispositivoempleado........................................................................................................................................74

Tabla 4.1 ndice de modulacin frente al factor de correccin de la tensin de salida. ................ 92Tabla 5.1 Parmetros de la primera prueba del software de la etapa del rectificador trifsico. .... 98

Tabla 5.2 Parmetros de la segunda prueba del software de la etapa del rectificador trifsico. .. 98

Tabla 5.3 Parmetros de la tercera prueba del software de la etapa del rectificador trifsico...... 99

Tabla 5.4 Datos obtenidos de la primera prueba del software frente al programa de Semikron conel mdulo rectificador SKM53. ....................................................................................................... 99

Tabla 5.5 Datos obtenidos de la segunda prueba del software frente al programa de Semikroncon el mdulo rectificador SKM53..................................................................................................99

Tabla 5.6 Datos obtenidos de la tercera prueba del software frente al programa de Semikron conel mdulo rectificador SKM53. ..................................................................................................... 100

Tabla 5.7 Datos obtenidos de la primera prueba del software frente al programa de Semikron conel mdulo rectificador SKM53. ..................................................................................................... 100

Tabla 5.8 Datos obtenidos de la segunda prueba del software frente al programa de Semikroncon el mdulo rectificador SKM53................................................................................................100


Tabla 5.10 Datos obtenidos de la primera prueba del software frente al programa de Semikroncon el mdulo rectificador SKM60................................................................................................101

Tabla 5.11 Datos obtenidos de la segunda prueba del software frente al programa de Semikroncon el mdulo rectificador SKM60................................................................................................101


Tabla 5.13 Datos obtenidos de la primera simulacin. ................................................................ 102

Tabla 5.14 Datos obtenidos de la segunda simulacin................................................................ 103

Tabla 5.15 Datos obtenidos de la tercera simulacin. .................................................................103

Tabla 5.16 Datos de partida de la primera simulacin................................................................. 104

Tabla 5.17 Datos de partida de la segunda simulacin. ..............................................................104

Tabla 5.18 Datos de partida de la tercera simulacin.................................................................. 104

Tabla 5.19 Resultados de la primera simulacin con el programa Semisel y el mdulo trifsico

SKM22GD123D............................................................................................................................ 105


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INDICE DE TABLAS

DISEO DE UN SOFTWARE PARA EL CLCULO DE LAS PRDIDAS EN UN AC-DC-AC VIII

Tabla 5.20 Resultados de la segunda simulacin con el programa Semisel y el mdulo trifsicoSKM22GD123D............................................................................................................................ 105

Tabla 5.21 Resultados de la tercera simulacin con el programa Semisel y el mdulo trifsicoSKM22GD123D............................................................................................................................ 105

Tabla 5.22 Resultados de la primera simulacin con el programa Semisel y el mdulo trifsicoSKM40GD123D............................................................................................................................ 105


Tabla 5.24 Resultados de la tercera simulacin con el programa Semisel y el mdulo trifsicoSKM40GD123D............................................................................................................................ 106

Tabla 5.25 Resultados de la primera simulacin con el programa Semisel y el mdulo trifsicoSKM75GD123D............................................................................................................................ 106


Tabla 5.27 Resultados de la tercera simulacin con el programa Semisel y el mdulo trifsico

SKM75GD123D............................................................................................................................ 106Tabla 5.28 Datos de la primera situacin para las simulaciones................................................. 107

Tabla 5.29 Datos de la segunda situacin para las simulaciones. .............................................. 107

Tabla 5.30 Datos de la tercera situacin para las simulaciones.................................................. 108

Tabla 5.31 Datos de la primera simulacin obtenida con el mdulo FS25R12KT3. ................... 108

Tabla 5.32 Datos de la segunda simulacin obtenida con el mdulo FS25R12KT3................... 108

Tabla 5.33 Datos de la tercera simulacin obtenida con el mdulo FS25R12KT3. .................... 108







Tabla 5.40 Datos de la primera simulacin obtenida con el mdulo BSM25GD120DLC............ 110

Tabla 5.41 Datos de la segunda simulacin obtenida con el mdulo BSM25GD120DLC. ......... 110

Tabla 5.42 Datos de la tercera simulacin obtenida con el mdulo BSM25GD120DLC............. 110


Tabla 5.44 Datos de la segunda simulacin obtenida con el mdulo BSM35GD120DLC. ......... 110Tabla 5.45 Datos de la tercera simulacin obtenida con el mdulo BSM35GD120DLC............. 110







Tabla 5.52 Datos de la primera simulacin obtenida con el mdulo BSM100GD120DLC.......... 112


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INDICE DE TABLAS

DISEO DE UN SOFTWARE PARA EL CLCULO DE LAS PRDIDAS EN UN AC-DC-AC IX

Tabla 5.53 Datos de la segunda simulacin obtenida con el mdulo BSM100GD120DLC. ....... 112

Tabla 5.54 Datos de la tercera simulacin obtenida con el mdulo BSM100GD120DLC........... 112

Tabla 5.55 Datos de la primera simulacin obtenida con el mdulo BSM50GD120DN2E3226. 112

Tabla 5.56 Datos de la segunda simulacin obtenida con el mdulo BSM50GD120DN2E3226.112

Tabla 5.57 Datos de la tercera simulacin obtenida con el mdulo BSM50GD120DN2E3226. . 113

Tabla 5.58 Datos de la primera simulacin obtenida con el mdulo BSM35GD120DN2E6334. 113

Tabla 5.59 Datos de la segunda simulacin obtenida con el mdulo BSM35GD120DN2E6334.113

Tabla 5.60 Datos de la tercera simulacin obtenida con el mdulo BSM35GD120DN2E6334. . 113

Tabla 5.61 Datos de la primera simulacin obtenida con el mdulo SKM22GD123D. ............... 113

Tabla 5.62 Datos de la segunda simulacin obtenida con el mdulo SKM22GD123D............... 114

Tabla 5.63 Datos de la tercera simulacin obtenida con el mdulo SKM22GD123D. ................ 114


Tabla 5.65 Datos de la segunda simulacin obtenida con el mdulo SKM40GD123D............... 114Tabla 5.66 Datos de la tercera simulacin obtenida con el mdulo SKM40GD123D. ................ 114




Tabla 5.70 Datos de la primera simulacin obtenida con el mdulo SK25GD126ET. ................ 115

Tabla 5.71 Datos de la segunda simulacin obtenida con el mdulo SK25GD126ET................ 115

Tabla 5.72 Datos de la tercera simulacin obtenida con el mdulo SK25GD126ET. ................. 115

Tabla 5.73 Datos de la primera simulacin obtenida con el mdulo SK30GD123. ..................... 116

Tabla 5.74 Datos de la segunda simulacin obtenida con el mdulo SK30GD123. ................... 116

Tabla 5.75 Datos de la tercera simulacin obtenida con el mdulo SK30GD123....................... 116

Tabla 5.76 Datos de la primera simulacin obtenida con el mdulo SK20GD123. ..................... 116

Tabla 5.77 Datos de la segunda simulacin obtenida con el mdulo SK20GD123. ................... 116

Tabla 5.78 Datos de la tercera simulacin obtenida con el mdulo SK20GD123...................... 117

Tabla 5.79 Datos de la primera simulacin obtenida con el mdulo SK35GD126ET. ................ 117

Tabla 5.80 Datos de la segunda simulacin obtenida con el mdulo SK35GD126ET................ 117

Tabla 5.81 Datos de la tercera simulacin obtenida con el mdulo SK35GD126ET. ................. 117

Tabla 5.82 Datos de la primera simulacin obtenida con el mdulo SKiM200GD128D.............. 117Tabla 5.83 Datos de la segunda simulacin obtenida con el mdulo SKiM200GD128D............ 118

Tabla 5.84 Datos de la tercera simulacin obtenida con el mdulo SKiM200GD128D............... 118

Tabla 5.85 Datos de la primera simulacin obtenida con el mdulo SKiM400GD128D.............. 118

Tabla 5.86 Datos de la segunda simulacin obtenida con el mdulo SKiM400GD128D............ 118


Tabla 5.88 Datos de la primera simulacin obtenida con el mdulo SKiM500GD128D.............. 119

Tabla 5.89 Datos de la segunda simulacin obtenida con el mdulo SKiM500GD128D............ 119




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INDICE DE TABLAS

DISEO DE UN SOFTWARE PARA EL CLCULO DE LAS PRDIDAS EN UN AC-DC-AC X



Tabla 9.1 Parmetros del primer ejemplo. ...................................................................................129

Tabla 9.2 Tabla resumen de los resultados obtenidos en el ejemplo 1....................................... 130

Tabla 9.3 Tabla resumen de los resultados obtenidos en el ejemplo 2....................................... 131


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NOMENCLATURA

DISEO DE UN SOFTWARE PARA EL CLCULO DE LAS PRDIDAS EN UN AC-DC-AC XI

NOMENCLATURA.

Aunque en la actualidad se tiende a utilizar las nomenclaturas en castellano, en elpresente proyecto se ha optado por la nomenclatura inglesa, ya que la inmensa mayora de losfabricantes de dispositivos semiconductores publican sus hojas de caractersticas en dichoidioma. As se facilita la bsqueda de los parmetros empleados en los diferentes apartados del

presente proyecto, puesto que la mayor parte de los fabricantes utilizan esta mismanomenclatura en sus documentos.

ngulo dependiente del rizado.

AF Factor de forma.

C Capacidad del condensador.

Cdif Capacidad de difusin de un diodo.

Cj Capacidad de deplecin o de transicin de un diodo.

C Capacidad trmica.

D Ciclo de trabajo.

E Tensin de codo de un diodo.

Eoff/D Energa producida por un diodo en su paso de estado de conduccin a suestado de corte.

ESR Resistencia equivalente en serie de un condensador.

F Factor de correccin cuando se utiliza ventilador.

F1 Factor de forma.

f1 Frecuencia de la seal de control.

fout Frecuencia de salida.

fsw Frecuencia de conmutacin.

ftri Frecuencia de la seal triangular.

IC Intensidad de colector de un IGBT.

Icc ref. Intensidad de continua de referencia en el bus de continua.

Id Corriente rectificada.

IDC Intensidad media que circula por un diodo.

iF Intensidad en directa del diodo.

IF (AV) Intensidad nominal media en directa de un diodo.

IFRM Intensidad de pico repetitivo en directa de un diodo.

IFSM Intensidad de pico no repetitivo en directa de un diodo.


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NOMENCLATURA

DISEO DE UN SOFTWARE PARA EL CLCULO DE LAS PRDIDAS EN UN AC-DC-AC XII

IGBT Insulate Gate Bipolar Transistor (Transistor bipolar de puerta aislada).

Iout Valor medio de la corriente de salida.

Iout rms Valor eficaz de la corriente de salida.

Ipk Valor de pico de la corriente de salida.

IR Intensidad de fugas de un diodo.

IRMS Intensidad eficaz.

K Coeficiente de seguridad para evitar que se alcance la Tjmx.

M Nmero de diodos.

ma ndice de modulacin de amplitud.

mf ndice de modulacin de frecuencia.

N Nmero de transistores.

P Potencia de la carga.

PFC Proyecto Final de Carrera.

Padd Prdidas adicionales al disipador.

Pd Potencia que disipa el transistor.

Pd(avg) Potencia media disipada por diodo.Pd(avg) tot Potencia media disipada total.

pd(t) Potencia instantnea que disipa un diodo.

Pfw/D Potencia de disipacin en un diodo en estado de conduccin.

Pfw/T Potencia de disipacin del transistor en estado de conduccin.

PI Potencia del inversor.

Poff/D Potencia de disipacin en un diodo cuando se desactiva.

Poff/T Potencia de disipacin de un IGBT cuando se desactiva.

Pon/T Potencia de disipacin de un IGBT cuando se activa.

Pr Potencia del rectificador trifsico de doble onda.

Ptot/D Prdidas totales en un diodo.

Ptot/M Prdidas totales disipadas en un mdulo de potencia.

Ptot/T Prdidas totales en un IGBT.


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NOMENCLATURA

DISEO DE UN SOFTWARE PARA EL CLCULO DE LAS PRDIDAS EN UN AC-DC-AC XIII

PWM Pulse width modulation(modulacin por ancho de pulso).

Q Carga almacenada.

Qrr Energa de recuperacin inversa del diodo.

R Resistencia.

r Rizado expresado en tanto por ciento.

R(t) Impedancia trmica normalizada.

rCE Resistencia entre el colector-emisor.

RD Resistencia interna de un diodo.

rF Resistencia del diodo en conduccin.

Rth Resistencia trmica.

Rth(c-a) Resistencia trmica encapsulado-ambiente.

Rth(c-h) Resistencia trmica encapsulado-disipador.

Rth(h-a) Resistencia trmica disipador-ambiente.

Rth(j-a) Resistencia trmica encapsulado-disipador.

Rth(j-c) Resistencia trmica unin-encapsulado.

SF Factor de suavizado.S Potencia aparente del generador.

T Perodo.

Ta Temperatura ambiente.

Tc Temperatura del encapsulado.

tdead Tiempos muertos entre conmutaciones.

tf Tiempo de cada.

Th Temperatura del disipador.

THD Distorsin armnica total.

Tj Temperatura alcanzada por la unin del transistor durante su funcionamiento

Tjmx Temperatura mxima que puede soportar la unin del dispositivo.

toff Tiempo de paso de conduccin a corte.

ton Ancho del pulso aplicado.


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NOMENCLATURA

DISEO DE UN SOFTWARE PARA EL CLCULO DE LAS PRDIDAS EN UN AC-DC-AC XIV

tp Tiempo de pulso.

trr Tiempo de recuperacin inverso.

ts Tiempo de almacenamiento.

VAK Tensin nodo-ctodo de un diodo.

Vcc Tensin de entrada de continua.

Vcc ref. Tensin de continua de referencia en el bus de continua.

VCE0 Tensin umbral entre colector-emisor.

VCEsat Tensin colector-emisor de un IGBT en estado de saturacin.

Vd Tensin rectificada de salida.

VF Tensin en directa de un diodo.

VF0 Tensin umbral de conduccin con iF = 0

VGE Tensin puerta-emisor de un IGBT.

VLL Tensin de lnea.

Vo Tensin de salida del inversor.

VR Tensin de ruptura de un diodo.

VRed Tensin de red.Vref Seal de control.

VRRM Tensin inversa de pico repetitivo de un diodo.

VRSM Tensin inversa de pico no repetitivo de un diodo.

VRWM Tensin inversa de trabajo mxima de un diodo.

Vtri Seal triangular.

VSI Voltaje Supply Inverter.

Wat Potencia mxima que el transistor puede disipar con una Tc= 25C.

Zth Impedancia trmica.

VCC Rizado expresado en voltios.

Dielctrico constante de dielctrico.


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OBJETIVOS

DISEO DE UN SOFTWARE PARA EL CLCULO DE LAS PRDIDAS EN UN AC-DC-AC 1


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OBJETIVOS


1. OBJETIVOS


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OBJETIVOS


1 Objetivos.El presente proyecto ha sido realizado dentro del Grupo de Sistemas Electrnicos de

Potencia, perteneciente al Departamento de Tecnologa Electrnica, de la Universidad Carlos IIIde Madrid.

El objetivo principal de este trabajo, es el anlisis comparativo de los programas que actualmenteexisten en el mercado para el clculo de las prdidas que se producen en los inversorestrifsicos PWM.

Un inversor es un equipo electrnico capaz de convertir la corriente continua en corriente alterna.stos estn formados por una etapa de control, un drivery una etapa de potencia.

El control por ancho de pulso PWM es una tcnica de modulacin en la que se modifica el ciclode trabajo del convertidor conmutado para controlar la seal de salida del inversor.

En concreto, el anlisis se centra en el clculo de las prdidas en la etapa de potencia, formadapor un mdulo trifsico de IGBTs. Este mdulo est formado en total por seis IGBTs.

Debido a la gran variedad de programas para el clculo de prdidas, se han seleccionado los tres

ms importantes desde el punto de vista del volumen de ventas de los fabricantes que los handiseado. A continuacin se detallan los empleados:

- Melcosim, que pertenece al fabricante Mitsubishi-Electric.

- Semisel, que pertenece al fabricante Semikron.

- Iposim, que pertenece al fabricante Eupec.

Se ha determinado emplear Semisel e Iposim, para llevar acabo el anlisis comparativo objeto deeste proyecto, desechando Melcosim por razones que se describen a lo largo del documento.

Para llevar a cabo dicho anlisis se ha creado un programa, basado en un libro de Excel, en elque se han introducido las expresiones para el clculo de las prdidas en los IGBTs, queproporcionan los fabricantes anteriormente citados. Como resultado del programa diseado, serealiza una comparacin de las aproximaciones que realiza cada uno de los fabricantes a partir

de sus respectivasApplication Note (Notas de aplicacin) y los resultados que se obtienen de susprogramas, que debido a mltiples simplificaciones que consideran pueden variar de manerasignificativa.

Una vez conseguido el estudio individual de cada uno de los programas, se realiza unacomparacin entre ambos. Con el fin de comprobar las diferencias entre ellos y estudiar losdiferentes mtodos de clculo que emplean y posteriormente se compara cada uno de ellos conel programa diseado en el presente proyecto, con el fin de validar dicho programa y comprobarlas mejoras introducidas en el mismo.

Como consecuencia al estudio citado anteriormente, se consigue un objetivo aadido, queconsiste en el diseo de un programa, capaz de calcular las prdidas en los IGBTs de losinversores trifsicos PWM.

Con el fin de ampliar los resultados proporcionados por los programas comerciales y conseguirun elemento ms funcional, se ha introducido una estructura rectificador-inversor trifsica tipoAC-DC-AC para el clculo de las prdidas generadas en la misma. Esta tipologa se compone de:

- Un rectificador trifsico de doble onda no controlado AC-DC.

- Un filtro basado en un condensador electroltico, encargado de filtrar la salida rectificadaque proviene del rectificador.

- Un inversor trifsico PWM DC-AC, con el fin de volver a convertir la tensin continuaque procede del rectificador, una vez filtrada por el condensador, a tensin alterna a lafrecuencia deseada.

Adems tambin se ha contemplado un cuarto apartado, en el que se calcula el disipadornecesario para evacuar el calor que producen los componentes que forman la estructura AC-DC-

AC, con el fin que estos no se destruyan.


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OBJETIVOS


Las prdidas que se producen en esta estructura se dividen en las producidas en el:

-Rectificador, que se producen por la conduccin de sus diodos.

-Inversor, que se producen por la conduccin de sus IGBTs y por las prdidas que estos

producen por su paso de estado de conduccin a su estado de corte.Este programa servir para calcular de una manera fcil y sencilla las prdidas que se producenen los elementos necesarios para implementar un rectificador-inversor, con lo que se logra unaseleccin rpida de los mdulos que mejor se comportan ante las diferentes condiciones deprueba a las que se les somete, es decir los que menos prdidas generan.

El programa ser capaz de calcular las prdidas de todos los componentes de forma aislada, obien, agrupando todos los componentes en un mismo sistema utilizando un solo disipador.

Para la validacin de las prdidas producidas en el rectificador y en el inversor trifsico delprograma diseado, se realizan mltiples comparaciones con diferentes mdulos de potencia yen diferentes condiciones de prueba con los programas comerciales escogidos. Y para lavalidacin del clculo del condensador, se emplea un programa de simulacin de circuitoselectrnicos, llamado Psim.

Estructura de la memoria.

La estructura de documento comienza por el captulo de Objetivos, en el cual sedescribe la motivacin del presente proyecto final de carrera, as como las metas que sepersiguen. En este primer captulo se incluye tambin la descripcin de la estructura en la que seha dividido el documento.

El segundo captulo del documento trata de centrar el contenido del mismo abordando losfundamentos tericos del dimensionado de los componentes necesarios a la hora de diseareste tipo de configuracin rectificador-inversor trifsica: diodos en el caso del rectificador trifsicode doble onda, el condensador en el filtro, los IGBTs en el caso del inversor trifsico y eldisipador en la etapa de refrigeracin del sistema.

A lo largo del tercer captulo se detalla la estructura del programa de clculo, mostrndose cmose utiliza el mismo y las diferentes partes que lo constituyen.

En el cuarto captulo, se presenta la validacin del proyecto, por medio de un estudiocomparativo de:

- Diferentes condiciones de prueba, en el que se varan las diferentes tensiones deentrada, potencias, frecuencias, resistencias trmicas, etc.

- Diferentes componentes.

- Diferentes programas comerciales para una seleccin rpida de componentes para laparte de inversor y clculo del radiador necesario para poder disipar el calorproducido por los componentes.

La validacin de la parte del clculo del condensador y del rectificador trifsico, se realizarmediante el programa de simulacin de circuitos electrnicos Psim.

Por ltimo, los captulos 5 y 6 describen, respectivamente, los posibles trabajos futuros que seproponen, as como un estudio econmico del desarrollo de este proyecto.


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INTRODUCCIN



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INTRODUCCIN


2. Introduccin.


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INTRODUCCIN


2 Introduccin.El objetivo de este captulo de introduccin es definir el mbito del presente proyecto

como paso previo a la exposicin del mismo. Para ello se va abordar de forma general laestructura rectificador-inversor trifsica y a continuacin las diferentes etapas que lo constituyen:

-rectificadores trifsicos,

-condensadores electrolticos,

-inversores trifsicos,

-disipadores.

Tambin se realizar un estudio del estado de la tcnica, con lo que se intentar diferenciar elprograma que se desarrolla en una hoja de Excel como resultado final, sobre los demsprogramas del mercado (Melcosim, Iposim y Semisel).

Por ltimo en este captulo se dar una solucin al objetivo del presente proyecto, mediante elprograma desarrollado.

2.1 Estructura rectificador-inversor.Una de las estructuras ms utilizadas en la electrnica de potencia es aquella en la que se

combina un rectificador y un inversor, denominado convertidor AC-DC-AC.

La estructura general de un convertidor de corriente alterna a corriente alterna, como el que semuestra en la Figura 2.1, se divide en bloques, comienza por un rectificador, que convierte lacorriente alterna en corriente continua, seguido de un filtro por condensador que elimine el rizadode corriente, y finalmente por un inversor que vuelva a convertir la corriente continua en alterna.Estos bloques se abordan con ms profundidad en los sucesivos apartados.

Todos estos bloques estn formados por semiconductores y elementos pasivos, que generanunas prdidas que se convierten en calor y que hay que disipar o de lo contrario estosdispositivos podran llegar a destruirse. El encargado de disipar este calor se llama radiador odisipador.

Figura 2.1 Esquema general de rectificador-inversor.

+

+

+

Rectificador Filtro Inversor

Generador Carga


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INTRODUCCIN


2.1.1 Rectificador.

En electrnica, un rectificador es el elemento o circuito que permite convertir la corrientealterna en corriente continua.

A continuacin se realiza una breve clasificacin de los circuitos rectificadores, que puedendepender de:

> Las caractersticas de la alimentacin en corriente alterna que emplean, se puedenclasificar en:

- Monofsicos, cuando estn alimentados por una fase del generador elctrico.

- Trifsicos, cuando estn alimentados por tres fases del generador elctrico.

- Polifsicos, cuando el sistema de alimentacin tiene ms de tres fases.

> El tipo de rectificacin:

- Media onda, cuando slo se utiliza uno de los semiciclos de la corriente.

- Doble onda, cuando se utilizan ambos semiciclos.

> El tipo de semiconductor empleado:- No controlados, los dispositivos que lo forman no permiten controlar de maneraexterna su entrada en conductividad (diodos).

- Controlados, emplean tiristores u otros tipos de semiconductores capaces decontrolar su conduccin mediante una seal externa, tal y como se muestra en laFigura 2.2. Este tipo se usa para evitar el uso de un transformador grande ypesado.

Figura 2.2 Diagrama de bloques de un rectificador controlado y su correspondiente curva tensin frente a laintensidad de salida.

Las aplicaciones de los rectificadores fundamentalmente son:

-Alimentacin de todo tipo de sistemas electrnicos, donde se necesite energa elctricaen forma de corriente continua.

-Control de motores de continua utilizados en procesos industriales: Mquinasherramienta, carretillas elevadoras y transportadoras, trenes de laminacin y papeleras,etc.

-Transporte de energa elctrica en corriente continua y alta tensin.

-Procesos electroqumicos.

-Cargadores de bateras.

Los rectificadores trifsicos basados en diodos son circuitos clsicos destinados a la conversin

de corriente alterna en continua. Por este y otros motivos, como son su sencillez y bajo coste,


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INTRODUCCIN


son los elegidos para la etapa de rectificacin de nuestra estructura AC-DC-AC. En concreto, seutilizar un rectificador trifsico de doble onda formado por seis diodos, cuyo funcionamiento sedetalla en el captulo 3 y el esquema general se muestra en la Figura 2.3.

Figura 2.3 Esquema de un rectificador trifsico de doble onda.

2.1.2 Condensador electroltico.

A continuacin del bloque rectificador, citado en el apartado anterior, se localiza un filtrobasado en un condensador, encargado de atenuar el rizado de la corriente.

Un condensador elctrico es un dispositivo de dos terminales que consiste en dos cuerposconductores separados por un material no conductor. Tal material no conductor se conoce comoaislante o dielctrico. A causa del dielctrico, las cargas no pueden moverse de un cuerpoconductor al otro dentro del dispositivo. Por tanto, stas pueden transportarse entre los cuerposconductores va sistema de circuitos externos conectados a los terminales del condensador.

Un condensador electroltico de aluminio consiste en una hoja de metal de aluminio como ctodo,el papel electroltico, el electrolito y una pelcula de xido de aluminio, que acta como eldielctrico sobre otra superficie de metal que es el nodo.

Como se ha mencionado anteriormente, un condensador electroltico de aluminio se construyeusando dos tiras de hoja de metal de aluminio (el nodo y el ctodo) con una capa de papel entremedias. Cuando se introduce una de las hojas de aluminio en un recipiente que contiene electrolito yse aplica tensin, esta hoja de aluminio se oxida formando una capa de almina, cuyo espesordepende de la tensin aplicada y del tiempo que est la cinta en el tanque. La construccin de uncondensador electroltico de aluminio se muestra en la Figura 2.4.

Debido a que la pelcula de xido, que se forma en el ctodo, tiene propiedades rectificadoras,este tipo de condensador tiene polaridad. Si el nodo tambin tuviese dicha pelcula de xido, loscondensadores seran bipolares, es decir, que no tendran polaridad.

+

+

+

Rectificador

Generador

Vd


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INTRODUCCIN


Figura 2.4 Construccin de un condensador electroltico de aluminio.

2.1.2.1 Caractersticas de los condesadores electrolticos.

Puesto que los condensadores electrolticos estn polarizados, deben conectarse alcircuito con la polaridad de tensin apropiada. Si se usa la polaridad incorrecta, se reducir elxido y puede ocurrir una conduccin abundante entre las placas, lo que implica su destruccin.

Los condensadores electrolticos son los que tienen mayor capacidad nominal, por su mayorrelacin capacidad/volumen. Ello los hace atractivos a simple vista para las aplicaciones defiltrado tipo paso-bajo. No obstante, su ESR es elevada, del orden de 0,1e incluso 1 en losde aluminio, valor que aumenta con la frecuencia y al disminuir la temperatura. Su corriente de

fugas aumenta si permanecen largo tiempo sin tensin aplicada. Debido a su gran tamao, lainductancia de los condensadores de aluminio es elevada, lo que limita su utilizacin afrecuencias inferiores a 25 KHz. Se emplean principalmente en filtrado, desacoplamiento yacoplamiento a baja frecuencia. Ante la posible presencia de altas frecuencias, debendesacoplarse con un condensador de distinto tipo dispuesto en paralelo, que tenga un pequeovalor y una baja inductancia.

La conclusin ms importante que se obtiene de este tipo de condensador, es que siempre tienenpolaridad y la frecuencia de empleo se limita a los 10 kHz. Por estos motivos resultan apropiadospara la estructura rectificador-inversor que se est tratando en el presente documento.

2.1.3 Inversor.

Una vez obtenida la tensin rectificada y filtrada del condensador el siguiente bloque esel correspondiente al inversor.

Un inversor es un circuito que convierte la corriente continua en corriente alterna, es decir,transfieren potencia desde una fuente de continua a una carga de alterna. Su representacinsimblica se aprecia en la Figura 2.5.

Figura 2.5 Representacin simblica de un inversor.

Entrada Salida

Electrolito

Electrodonodo deAluminio

ElectrodoCtodo deAluminio

Pelcula de

xido

Papel electroltico


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INTRODUCCIN


La aparicin de los transistores de potencia y de los tiristores ha facilitado enormemente lasolucin de esta configuracin, promoviendo la proliferacin de diversos circuitos con muybuenas caractersticas que hubieran sido de difcil realizacin mediante las tcnicas clsicasutilizadas en pocas anteriores, como pueden ser el uso de contactores, rels u otros equiposelectromecnicos, o la solucin ms clsica, que consiste en acoplar un motor de corrientecontinua a un generador de corriente alterna.

Existen dos tipos de inversores:

- No autnomos, son aquellos rectificadores controlados funcionando en sentidoinversor. Estos dispositivos tienen la caracterstica, que para transformar la energade corriente continua en alterna deben conectarse a una fuente alterna externa queimpone la frecuencia de funcionamiento, por lo cual, tambin se les llama inversorescontrolados o guiados.

- Autnomos, su funcionamiento no requiere que estn conectados a ninguna fuentede corriente alterna exterior. La frecuencia, por tanto, es funcin de lascaractersticas propias del sistema.

Los inversores tienen mltiples aplicaciones, entre las cuales se destacan los Sistemas deAlimentacin Ininterrumpida (S.A.I.), que se emplean para la alimentacin de ordenadores u otrosequipos electrnicos que requieren una gran seguridad de funcionamiento adems de unaestabilidad de tensin y frecuencia. Los inversores son tambin utilizados en el control demotores de C.A., instalaciones de energa solar fotovoltaica tanto como inversores conectados ared como inversores autnomos en aquellos lugares donde la energa elctrica de la red no llega,equipos mviles, etc.

En muchas ocasiones estos dispositivos se utilizan para aplicaciones, como los SAIs citadosanteriormente, que exigen un contenido de armnicos muy pequeo, y una estabilidad de tensiny frecuencia de salida muy grande. La disminucin de armnicos se logra con procedimientosadecuados de disparo, control y con la colocacin de filtros especiales a la salida del inversor. Encuanto a la estabilidad, regulacin y control de la tensin y de la frecuencia se logra mediante elfuncionamiento en bucle cerrado, con lo que se obtiene un control en todo momento de la tensiny frecuencia de salida del inversor dependiendo de las diferentes cargas que se pueden conectar

al mismo.

2.1.4 Disipador.

Al circular una corriente elctrica por un semiconductor se producen prdidas en formade calor que elevan la temperatura del mismo. Para evitar que ste alcance temperaturasdemasiado elevadas que puedan ocasionar su destruccin, se debe disponer de un camino deevacuacin del calor hacia el exterior. Esta evacuacin de calor se realiza por conduccin atravs de un radiador de calor, normalmente un perfil extrusionado de aluminio, el cual a su veztransmite el calor por conveccin y radiacin hacia el ambiente u otro fluido refrigerante, como elagua o el aceite.

En el caso de la estructura rectificador-inversor se puede emplear o no el disipador del materialque se desee, dependiendo slo de la resistencia trmica que se introduzca en elcorrespondiente apartado del programa diseado. De esta manera tambin se puede elegir entrecirculacin natural o forzada, dependiendo del valor que facilita el fabricante del radiador y delventilador.

El dimensionado de este ltimo bloque de la estructura inversor-rectificador se detalla en elcaptulo 3 de este documento.

2.2 Estado de la tcnica.Debido al gran avance informtico y al extendido uso de equipos electrnicos, la cantidad

de programas para la seleccin rpida de componentes electrnicos que se pueden encontrar enel mercado es muy amplia, cada uno de ellos con sus ventajas e inconvenientes.


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INTRODUCCIN


Una seleccin rpida de componentes se puede definir como el procedimiento, fcil y sencillo, ala hora de escoger entre la amplia gama de dichos componentes que existe en el mercado contan slo ir seleccionndolos de la base de datos del programa desarrollado, para poder compararrpidamente cual se adeca mejor a las necesidades.

Normalmente son los propios fabricantes de los componentes electrnicos los encargados de

disear este tipo de herramientas para facilitar la venta de sus productos, con lo que consiguenaportar un valor aadido a los mismos.

A continuacin, se va a realizar el estudio de tres programas concretos, que han sidodesarrollados por tres de los ms importantes fabricantes de dispositivos semiconductores, comoson Semikron, Eupec y Mitsubishi-Electric. Para dicho estudio se ha desarrollado un programa,mediante el cual, se compara que diferencias existen entre ellos, adems de comparar losprogramas ya existentes con el desarrollado en este proyecto final de carrera y valorar lasnuevas opciones introducidas con el fin de mejorar los programas comerciales.

Tanto Semikron como Eupec son fabricantes exclusivamente de semiconductores y deaccesorios para los mismos, mientras que Mitsubishi-Electric, adems de esta actividad, abarcaotras reas de negocio, como la automatizacin industrial y el aire acondicionado.

2.2.1 Semisel.Este programa ha sido diseado por el fabricante Semikron. Permite una seleccin decomponentes de Semikron mediante un programa informtico. Dicho programa determina lasprdidas en un inversor trifsico a partir de una serie de parmetros de entrada (ver Figura 2.6) y,en base a ellas, proporciona un listado de los componentes susceptibles de ser utilizados.

Los parmetros de entrada que hay que introducir son:

- Vin = tensin de entrada de corriente continua que se le aplica al inversor, V. Esteparmetro es necesario para la seleccin de la tensin de bloqueo del transistorVCES/VDSSy del diodo de libre circulacin.

- Vout= tensin de salida del inversor en valor eficaz, V.

- CosPhi= coseno de Phi (cos).- Pout= potencia activa trifsica de salida del inversor, kW. En caso de introducir este

dato, Ioutse calcular automticamente y viceversa.

- Iout= es la intensidad eficaz a la salida del inversor, A.

- fsw = frecuencia de conmutacin, kHz. Es fundamental introducir este dato para elclculo de las prdidas por conmutacin.

- fout = frecuencia de salida del inversor, Hz.

A parte de las condiciones nominales de trabajo que seran impuestas por los parmetrosanteriormente descritos, el programa Semisel permite el mismo clculo con unas condiciones desobrecarga, para lo cual hay que introducir los siguientes datos:

- Overload factor = factor de sobrecarga. Con dicho factor es posible calcular unasobrecarga fija relacionada con la corriente/potencia nominal durante un tiempoespecificado, por ejemplo un factor de sobrecarga de valor 1.5 implica unasobrecarga del 50 %. Las prdidas durante el sobre la carga son calculadas usandomtodos de hasta 40 iteraciones por pulso, donde se considera las temperaturas ylas impedancias trmicas.

- Duration = tiempo que dura la sobrecarga, s.

- fmin out = frecuencia mnima de salida, Hz. En un primer paso Semisel realiza elclculo para las condiciones de funcionamiento introducidas por el usuario y obtieneun promedio de las prdidas y de las temperaturas en la unin de lossemiconductores. En frecuencias bajas (fout


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INTRODUCCIN


inversores directos se asume que la duracin del periodo es mucho ms corta que laconstante de tiempo trmica, en este caso no hay ningn rizado de temperatura conla frecuencia de salida.

- Vmin out = tensin mnima de salida, V. Este valor se puede calcular mediante laEcuacin 2.1 que es una aproximacin simple a la curva caracterstica tensin-

frecuencia de un driver.

)f

f*0,9(0,1VV

out

minoutoutoutmin += Ecuacin 2.1

Figura 2.6 Parmetros de entrada del programa Semisel para el clculo de las prdidas en un inversor trifsico.

La aplicacin informtica Semisel tambin permite el clculo de las prdidas de otras estructurasdentro de la electrnica de potencia, como son:

- Rectificadores AC-DC, tanto monofsicos como trifsicos.

- Convertidores de corriente alterna AC-AC, monofsico y trifsicos.

- Inversores, monofsicos y trifsicos.

- Convertidores de corriente continua DC-DC, tanto elevadores como reductores detensin.

Como opcin aadida al clculo realizado por Semisel, tambin se permite la seleccin del drivernecesario para disparar los IGBTs del inversor sometido a estudio.

2.2.1.1 Ventajas.

Como ventaja principal, la herramienta de simulacin de Semikron (Semisel) se divide encuatro grandes bloques, que se resumen en la Tabla 2.1 y se muestran en la Figura 2.7.


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INTRODUCCIN


Dentro de la opcin Step by Step se pueden calcular cuatro tipos bsicos de circuitos, rectificador(AC-DC), inversor (DC-AC), convertidor de corriente continua (DC-DC) y convertidor de corrientealterna (AC-AC), como se muestra en la Figura 2.8.

Step by Step design herramienta en la que se permite el diseo paso a paso decualquiera de los circuitos que incluye el programa.

StackSel es una herramienta en la cual a partir de la seleccin de circuito y el mdulo depotencia que se desea estudiar, se obtiene un informe desarrollado por Semikron(Semikron Solution Centres).

Device Proposal este bloque permite una seleccin de los dispositivos ms adecuadospara las condiciones de operacin y de temperatura del disipador introducidas por elusuario.

DriverSel herramienta que permite la seleccin de un driveradecuado para los IGBTs,en el que se considera la posibilidad de modificar la frecuencia de conmutacin, lacorriente pico y media, as como la tensin aplicada al IGBT.

Tabla 2.1Diferentes mens de diseo del Semisel.

Figura 2.7 Diferentes mens de diseo del Semisel.

Men desplegable parainiciar los clculos.


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INTRODUCCIN


Figura 2.8 Men de seleccin del esquema a utilizar de Semisel.

Dentro de esta opcin del programa hay que:

- Especificar los parmetros del circuito (las frecuencias, las corrientes, las tensiones, ciclosde trabajo, etc.)

- Seleccionar uno de los semiconductores.

- Especificar las condiciones de refrigeracin (disipadores, refrigeracin natural o forzada,etc.)

Todos los datos de entrada introducidos por el usuario se verifican para comprobar si soncorrectos. Todos los productos del catlogo de SEMIKRON estn incluidos en la base de datosincorporada.

Otra ventaja ms, es que el programa muestra los resultados mediante la redaccin de uninforme con los parmetros aportados por el usuario, las temperaturas y las prdidas estticas,as como un despliegue grfico del clculo para los procesos dinmicos. Las comparacionesentre los diversos componentes y diferentes puntos de operacin pueden hacerse rpidamentemediante la tarea propiedades del men edicin. El parmetro introducido puede ser guardadoy abierto por el usuario con el comando "archivo" delmen principal del programa.

Otro punto a favor del programa de SEMIKRON es la base de datos, que desde Internet sepuede descargar la ltima actualizacin el programa Versin 3.xx. Actualmente la versindisponible es la V.3.1.1.3.

2.2.1.2 Limitaciones.

El principal inconveniente de Semisel radica en la imposibilidad de importar componentesde libreras de aplicaciones ajenas a Semikron, ya que al tratarse de un programa diseado pordicho fabricante, slo fomenta el uso de sus equipos y dispositivos.

Existen dos modos de uso:

- On line, que implica necesariamente un acceso a Internet.

- Instalacin individual en cada ordenador en que se desee utilizar.


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INTRODUCCIN


Por ltimo, el idioma del interfaz programa-usuario que emplea Semikron es la lengua inglesa yno existe la posibilidad de la seleccionar otros idiomas.

2.2.2 Iposim.

El fabricante de componentes semiconductores EUPEC, ha desarrollado el programa

Iposim. Dicha aplicacin realiza un clculo de las prdidas en conduccin de los IGBTs y losdiodos de libre circulacin en un inversor trifsico, suponiendo que cuando las cargas soninductivas las corrientes de salida son senoidales. Con esta herramienta es posible realizar laseleccin adecuada, para una aplicacin en concreto, teniendo en cuenta sus prdidas yparmetros de temperatura.

El programa esta estructurado mediante diferentes hojas dentro del libro de Excel, que sedescriben a continuacin:

- Auto. Selection= seleccin automtica de los mdulos que mejor se adaptan a lascondiciones que previamente han sido introducidas y que se expondrn msadelante.

- Seleted module = mdulo seleccionado. En esta hoja se presenta a modo de

resumen los datos introducidos, las prdidas que se producen y la grfica de lapotencia media frente a la corriente eficaz por cada rama de IGBTs.

- Temperature distribution = distribucin de temperaturas a lo largo del IGBT y deldiodo. En la cual se puede introducir la resistencia trmica de un disipador y latemperatura ambiente.

- Temperature ripple = rizado de la temperatura. Donde se puede calcular el rizadoque sufre la temperatura de la unin debido a las frecuencias de conmutacin bajas.

- Loss distribution = distribucin de las prdidas generadas, por medio de un nuevoresumen y grfica de la potencia media y la corriente eficaz por cada rama deIGBTs.

- Results = resultados, en la que se encuentra una tabla con todos los resultados,

tanto para las prdidas como para las temperaturas.- Values =valores, es la base de datos de esta aplicacin informtica.

- Load cycle calculation = clculo para un ciclo de carga en concreto.

- Load cycle diagrams = donde se muestran los diagramas correspondientes al ciclode carga definido en el apartado anterior.

Los parmetros que se han de introducir para comenzar la simulacin son:

- DC link voltaje Vdc = tensin de corriente continua a la que se va a conectar elinversor, V.

- RMS current Irms= intensidad eficaz a la salida del inversor, A.

- Frecuency f0= frecuencia de salida del inversor, Hz.- Swiching frequency fs= frecuencia de conmutacin, Hz.

- Max. Juntion temperature =temperatura mxima de la unin, C.

- Case temperature TC= temperatura del encapsulado, C.

- Modulation factor m =factor de modulacin.

- Cos= coseno de phi.

Dentro de los apartados en los que se muestran los resultados del clculo, los valores de lasprdidas y de las temperaturas que alcanzan las diferentes partes que forman lossemiconductores, que se muestran al usuario mediante valores numricos y grficamente.


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INTRODUCCIN


Dichos resultados son:

- Selected voltage class = clase de tensin seleccionada, V.

- Static IGBT losses = prdidas estticas o por conduccin en un IGBT, W.

- Dynamic IGBT losses = prdidas dinmicas o por conmutacin en un IGBT, W.

- Static diode losses = prdidas estticas o por conduccin en un diodo, W.

- Dynamic IGBT losses = prdidas dinmicas o por conmutacin en un diodo, W.

Como se ha comentado anteriormente estos resultados son mostrados a travs de una grficacomo la de la Figura 2.9.

Figura 2.9 Detalle de la grfica potencia media frente a la intensidad eficaz por rama de IGBT mostrada por elprograma Iposim.

2.2.2.1 Ventajas.

Este programa es gratuito y se puede descargar de Internet para obtener la ltima

versin de IPOSIM, de la pgina www.eupec.com

Una ventaja aadida a este programa, es que est realizado bajo una hoja de Excel, como sepuede apreciar en la Figura 2.10, y por lo tanto no tiene que ser instalado en el ordenador en elque se va a usar. La programacin en Excel permite un doble objetivo, en primer lugar segarantiza su correcto funcionamiento en los equipos en los que se utilice, y en segundo lugar, lamayora de los usuarios pueden estar familiarizados con el manejo de hojas de Excel, ya queeste programa es de uso generalizado.

Adems el programa Iposim comprueba que los valores introducidos por el usuario estn dentrounos lmites aplicables. Los parmetros que realmente usa para la simulacin tambin semuestran por pantalla, aunque slo si no coinciden con los introducidos.


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INTRODUCCIN


Otra ventaja de la aplicacin informtica Iposim es que mediante grficas muestra al usuario lasvariaciones que se producen en los clculos de las prdidas y la distribucin de temperaturas enlos semiconductores, modificando las variables de entrada anteriormente descritas.

Figura 2.10 Men principal del programa Iposim basado en Excel.


Slo se pueden emplear mdulos que pertenezcan a Eupec, sin embargo, en la base dedatos hay cinco filas que estn desbloqueadas y en las cuales se pueden aadir nuevosmdulos, aunque en ocasiones no reconoce los valores nuevos introducidos, estas filas estnrepresentadas en la Figura 2.11 .

Los clculos que realiza dicho programa estan basados en aproximaciones lineales y slo sepuede emplear para inversores PWM con salida sinusoidal, este hecho implica una granlimitacin frente a la aplicacin desarrollada por Semikron.

Este programa solamente permite el clculo de perdidas de mdulos monofsicos y trifsicos deIGBTs para aplicaciones de inversores trifsicos PWM.

El programa realizado bajo Excel tiene macros y en la mayora de los casos los antivirusinstalados en los ordenadores las desactivan porque pueden contener virus, por lo que mayorade sus opciones quedan deshabilitadas.

Por ltimo, el programa Iposim slo tiene la opcin del interfaz programa-usuario en lenguainglesa y no esta permitido la seleccin de otros idiomas.


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INTRODUCCIN


Figura 2.11Base de datos del programa Iposim.

2.2.3 Melcosim.

Melcosim es un software desarrollado por Mitsubishi-Electric para realizar una seleccinrpida de mdulos formados por IGBTs de dicho fabricante, en el que tras seleccionar el mduloque se va a utilizar en el inversor trifsico e introducir unos parmetros sencillos, se obtienerpidamente los resultados, permitiendo representarlos grficamente.

Los parmetros a introducir son:

- Io = intensidad de salida del inversor, A. Se puede elegir entre el valor eficaz o elvalor de pico de la misma.

- VCC= tensin de corriente continua a la que se conecta el inversor, V.

- FC= frecuencia de conmutacin, kHz.

- Rg(on) = resistencia de puerta al encedido.

- Rg(off) = resistencia de puerta al apagado.- PF = factor de potencia.

- Modulation ratio= ndice de modulacin.

- Tf= temperatura justo debajo del IGBT, C.

2.2.3.1 Ventajas.

El programa de Mitsubishi-Electric es muy sencillo de utilizar. En la misma ventana selocalizan los datos de entrada y los resultados de la simulacin realizada, como se aprecia en laFigura 2.12.

Espacios en blancopara introducir nuevosmdulos.


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Figura 2.12 Pantalla principal de trabajo del programa Melcosim.

Es un programa de descarga gratuito desde Internet, aunque requiere registrarse previamentepara poder conseguirlo.


En Melcosim no se pueden usar otros componentes que no sean los comercializados porMitsubishi-Electric, adems no existe la posibilidad de introducir nuevos componentes.

A pesar de ser un programa de descarga gratuita, el programa caduca a los 230 dasdesde su instalacin, como se puede apreciar en la Figura 2.13. Como ya se ha comentado, pararealizar la descarga del mismo hay que registrarse, lo que supone un inconveniente para algunosusuarios.

Figura 2.13 Error mostrado cuando se caduca la versin de prueba.

En este programa slo es posible el clculo para aplicaciones de inversores trifsicos PWM,adems no permite la introduccin del disipador en caso de querer tenerlo en cuenta.


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Tambin el programa Melcosim debe ser instalado en los ordenadores que deseen utilizarlo, locual para una empresa en la que algunos de ellos tengan privilegios o estn controlados por unadministrador, no podr instalarse.

Otro inconveniente que presenta el programa es que el idioma del interfaz programa-usuario estaen ingls y no se permite la seleccin de otros idiomas.

2.2.4 Conclusiones.

Despus de realizar el estudio de los programas existentes en el mercado, se obtieneque expresiones emplean en el clculo de las prdidas cada uno de ellos en este tipo deinversores. Estas expresiones sern las que se desarrollen a lo largo del presente proyecto.

Ninguno de los programas estudiados contempla la posibilidad de hacer el clculo completo de laestructura rectificador inversor, ya que slo existe la posibilidad de calcular las prdidas en elinversor, como es el caso de las aplicaciones Iposim y Melcosim, o slo se puede hacer porseparado como realiza Semisel.

No existe ningn programa en el mercado en el que se pueda emplear cualquier tipo decomponentes electrnicos para el clculo de las prdidas que se producen en el inversor y en el

rectificador, ya que en los tres estudiados, slo se pueden calcular dichas prdidas empleandolos componentes fabricados por el propio programador de la aplicacin.

Adems ninguno de los programas estudiados contempla la posibilidad del clculo delcondensador de filtro que limita el rizado de la tensin en el bus de continua.

El programa Melcosim, se descarta del proyecto por falta de inters para el estudio debido a susescasas opciones a la hora de calcular las prdidas y las temperaturas en el semiconductor. LaTabla 2.2 resume las caractersticas descritas de cada uno de los programas analizados.

Rectificador InversorPrograma

Monofsico Trifsico

Filtro porcondensador

Monofsico Trifsico

Disipador

Semisel

Iposim

Melcosim

Desarrollado

Tabla 2.2 Resumen de las principales ventajas e inconvenientes de cada aplicacin estudiada.

2.3 Solucin propuesta.La solucin propuesta en este proyecto final de carrera, con objeto de facilitar una

seleccin rpida y sencilla de los componentes necesarios en el diseo de un inversor trifsico,

consiste en programar una hoja de clculo de Excel. En dicha hoja se va a realizar un estudio dedichos componentes, comparando entre los componentes introducidos, mediante la posibilidadde escoger diferentes equipos de varios fabricantes y establecer las comparaciones necesarias,que permitan al usuario escoger el ms idneo para su aplicacin.

La hoja de clculo desarrollada, calcula las prdidas producidas en un mdulo trifsico de seisIGBTs, as como el desglose de temperatura a lo largo de las diferentes partes delsemiconductor. Del mismo modo, se programa el clculo de las prdidas producidas en unrectificador trifsico de doble onda, compuesto por seis diodos, en el cual tambin se representala distribucin de temperaturas. Este clculo constituye la principal ventaja frente a la aplicacinIposim desarrollada por Eupec. A continuacin, se incluye un apartado en el cual, a partir delrizado mximo de tensin introducido por el usuario en el bus de continua y de la potencia delinversor a disear, el programa calcula el condensador necesario. Este clculo tampoco loincluye ninguna de las aplicaciones comerciales estudiadas. Por ltimo, el programa indica qu


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disipador es necesario implementar en el inversor, para que funcione correctamente el sistemacompleto.

Todos estos clculos se pueden realizar de forma individual, por si slo se quiere calcular una delas etapas, o en conjunto, en el caso de que la estructura de la aplicacin sea un rectificador-inversor trifsico, copiando los valores obtenidos en las casillas marcadas para tal efecto.

Los clculos descritos sern validados haciendo un estudio comparativo con las aplicacionescomerciales escogidas. El clculo del condensador se valida mediante la simulacin del circuitoen el programa Psim, con objeto de comprobar que los clculos se han realizado correctamente.

Mediante el diseo de este libro de Excel, se har un estudio exhaustivo de las expresionesnecesarias para llevar acabo dichos clculos, con lo que se obtiene un amplio conocimientosobre dichas configuraciones.

Este programa permitir al usuario introducir nuevos componentes, mediante una base de datosabierta y fcil de utilizar. Con lo cual se consigue que el programa este siempre actualizado,utilizando las hojas de caractersticas de los fabricantes, que pueden variar de unos aos a otros.

Adems se realizar un estudio comparativo por separado de los dos programas existentes en elmercado que han sido elegidos en el presente proyecto, en el cual se comprueba que los

fabricantes de dichos programas han realizado unos clculos correctos y coherentes con lasnotas de aplicacin que suministran.

Posteriormente se compara Semisel con Iposim y se estudian las diferentes formas de calcularlas prdidas empleados por ambos programas.


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FUNDAMENTOS TERICOS DEL DIMENSIONAMIENTO DE COMPONENTES



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3. Fundamentos tericos deldimensionado de componentes.


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3 Fundamentos tericos del dimensionado decomponentes.Una vez se han descrito las principales aplicaciones que existen en el mercado, se va

describir en detalle cmo se ha desarrollado el programa que se ha elaborado en el presenteproyecto de final de carrera.

En el presente captulo se explica como se desarrollan todas las estructuras que se utilizan a lolargo del programa, as como todos los clculos necesarios para realizar dicha aplicacin y elestudio comparativo.

En este estudio se realizar un anlisis terico de los clculos para cada uno de los mdulos dela estructura rectificador-inversor. Se comienza con el rectificador, posteriormente el clculo delcondensador seguido del inversor, y para terminar los clculos necesarios para el disipador oradiador.

3.1 Puente rectificador.Un rectificador es un circuito electrnico cuya misin es la de convertir la tensin alterna,

cuyo valor medio es nulo, en otra tensin unidireccional de valor medio no nulo, llamada tensincontinua. A la hora de llevar a cabo la rectificacin, se han de utilizar elementos electrnicos quepermitan el paso de la corriente en un solo sentido, permaneciendo bloqueados cuando se leaplique una tensin de polaridad inversa. Para ello, uno de los componentes ms utilizados es eldiodo semiconductor.

3.1.1 Rectificador trifsico de media onda.

Este tipo de rectificador, cuya construccin resulta muy barata, ya que solamente utilizatres diodos, se puede usar para alimentar pequeos aparatos o circuitos de corriente continua,desde una lnea trifsica de corriente alterna, siempre y cuando no represente un gran problemael rizado de la corriente rectificada que est formada por tres impulsos por cada periodo de lacorriente alterna aplicada. Este tipo de rectificador est representado en la Figura 3.1.

Figura 3.1 Rectificador trifsico de media onda.

Los diodos tienen sus ctodos conectados a un punto comn, para que en cualquier instante detiempo el diodo con la mayor tensin aplicada, sea el que conduzca, mientras los otros dospermanecen polarizados inversamente.

El transformador de alimentacin debe tener punto neutro en su secundario, por lo cual seutilizarn siempre secundarios en estr

PFC Antonio Anton Lopez

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