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Laboratorio de Electrónica de Potencia II - Facultad de Ingeniería Eléctrica y Electrónica

2013

INFORME FINAL INVERSOR PUENTE DE CARGA RESONANTE EN SERIE I. OBJETIVO:  Conocer la configuración de inversores de toma media y de puente monofásico, ventajas e inconvenientes.  Implementar un inversor de puente monofásico empleando transistores y dispositivos semiconductores II. MATERIALES:        

Computadora Personal Transistores: ECG 123 y ECG 159 Diodo 1N4004 / 1N4007 Compuerta TTL LS7404 Resistencia de 4Ω - 5W. Condensadores de 15uF y 100uF Bobina de 1100uH CI LM 555

III. DESCRIPCIÓN: Teniendo el circuito:

A B C

D5

D6

1N4007

1N4007

Q3

D1

D3

1N4007

1N4007

Q6

2N3904

CARGA RESONANTE SERIE B1 100V

R9

C2 100uF

A

4

L1

C1 2N3904

1100uH 15uF

B

D8

D7

1N4007

1N4007

Q7 Q5

D2

D4

1N4007

1N4007

2N3904

2N3904

f = 60Hz CT= 50%

U1:A

U1:A(A) 1

2 7404

Figura N°1.- Puente con carga resonante serie 1

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Durante la conducción de los transistores, la fuente entrega energía a la carga. Los valores de la tensión y corriente de salida son positivos. Cuando conducen los diodos, la corriente es negativa. La carga devuelve energía a la fuente y a su vez alimenta a la R, ya que dicha corriente para por el conjunto RLC serie. Al terminar la oscilación del semiciclo positivo, existe un tiempo muerto tq que antes de empezar el semiciclo negativo en π. Notar que el periodo 2π se compone de las cuatro oscilaciones de la carga más los dos tiempos muertos. Es decir, la frecuencia de oscilación fijada al puente es menor que la frecuencia natural de la carga. Precisamente, variando la frecuencia del puente, agrandando tq se reduce la energía entregada a la carga y viceversa. Cuando tq = 0 la frecuencia de la carga y del puente son coincidentes. Para entender mejor el circuito podemos realizar también el siguiente análisis:

Figura N° 2.- Inversor Monofásico

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Consta de dos ramas semiconductoras conectadas como se especifica en las Figuras 2 y 3; en estas figuras se han materializado los circuitos mediante transistores, a los cuales se han conectados diodos en antiparalelo para conducir la intensidad reactiva. Manteniendo excitados Q1 y Q4 (instante t1), el extremo X de la carga queda conectado al polo positivo de la batería y el extremo Y al polo negativo, quedando la carga sometida a la tensión Vs de la batería. Bloqueando Q1 y Q4 y excitando Q2 y Q3 (instante t3), la tensión en la carga se invierte. Haciendo esto de forma alternativa, la carga queda sometida a una tensión alterna cuadrada de amplitud igual a la tensión de la batería Vs, lo cual supone una ventaja con respecto al inversor con batería de toma media. En contrapartida, aquí se necesitan el doble de semiconductores que en dicha configuración.

Figura N° 3.- Formas de Onda en la carga En la Figura 3 se muestran los períodos de conducción, la forma de onda en la carga y los elementos que atraviesa la corriente en cada intervalo de tiempo. Para el instante t2 la carga tendrá una tensión positiva en el extremo “Y” y negativa en el “X”, por tanto, ésta se descargará a través de los diodos D2 y D3 cediendo potencia a la batería; en el instante t4 la tensión en la carga es la contraria que en el instante t2 y por tanto conducen los diodos D1 y D4. En ambos intervalos de tiempo se libera la energía reactiva acumulada en la carga durante los instantes t1 y t3 respectivamente.

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IV. SIMULACIONES: Para el diseño del puente monofásico con carga resonante serie empleamos un oscilador que emita oscilaciones de frecuencia 60 Hertz y Ciclo de trabajo del 50%. Este oscilador permitirá conmutar a los transistores de la tal manera que la tensión de salida en la carga sea alterna. (Q3 y Q7 operando, luego Q5 y Q6 de acuerdo a la Figura N°1) Además realizaremos la medición de algunos parámetros eléctricos de manera teórica (mediante el simulador).

A B C D +88.8

AC mA

+88.8

AC mA

D1(A)

(+)

D5

D6

1N4007

1N4007

Q3

D1

D3

1N4007

1N4007

Q6

2N3904

CARGA RESONANTE SERIE B1 100V

R9

C2 100uF

A

4

L1

C1 2N3904

+88.8 1100uH 15uF

AC mA

B

D8

D7

1N4007

1N4007

+88.8

AC mA

+88.8

AC mA

Q7 Q5

D2

D4

1N4007

1N4007

2N3904

2N3904

f = 60Hz CT= 50%

U1:A

U1:A(A) 1

2 7404

Figura N°4.- Toma de medidas del circuito

En primer lugar visualizaremos la señal alterna de salida obtenida en la carga serie resonante. Por tal motivo configuramos de manera adecuada el osciloscopio del simulador ISIS Proteus 7.6 . Además en una tabla colocaremos los valores de corriente y tensión obtenidos.

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Figura N°5.- Señal de Salida en la carga De acuerdo al osciloscopio virtual podemos visualizar la señal de salida en la carga. Esta señal es casi sinusoidal de 60 Hertz. Para que sea totalmente sinusoidal y no muestre ese pico de tensión inicial y final que observamos bastaría con colocar un filtro en paralelo a la salida para disminuir los armónicos.

Figura N°6.- Toma de medida de la señal de salida Ahora realizamos la medición de la señal de salida, cambiamos la escala del osciloscopio, específicamente de los canales A y B.

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A B C D +20.7

AC mA

+20.9

AC mA

D5

D6

1N4007

1N4007

Q3

D1

D3

1N4007

1N4007

Q6

2N3904

CARGA RESONANTE SERIE B1 100V

R9

C2 100uF

A

4

L1

C1 2N3904

+29.5 1100uH 15uF

AC mA

B

D8

D7

1N4007

1N4007

+21.0

AC mA

+20.7

AC mA

Q7 Q5

D2

D4

1N4007

1N4007

2N3904

2N3904

f = 60Hz CT= 50%

U1:A

U1:A(A) 1

2 7404

Figura N° 7.- Toma de valores de corriente en el circuito Recogemos todos los valores obtenidos: VALORES TEÓRICOS Vout

6.15 V

V fuente

100 V

Corriente de colector eficaz

20 mA

Corriente en la carga

30 mA

Frecuencia

60 Hertz

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V. CONCLUSIONES PREVIAS:  Existen diversas configuraciones para realizar inversores, depende de cada diseñador emplear una u otro de acuerdo a sus necesidades. Algunos puntos que podrían ser de interés son que por ejemplo que en la de toma media se necesitan emplear dos fuentes, aunque solo dos transistores; mientras que en la de puente H si bien es cierto se necesita solo una fuente de alimentación, en cuanto a dispositivos tenemos que emplear el doble al caso anterior.  Los diodos poseen una función determinada en los circuitos inversores, básicamente se encargan del retorno de la corriente reactiva a la fuente, de no ser colocados en el circuito se podrían obtener dificultades y pese a realizar un buen diseño, la simulación mostraría errores.  En cuanto al empleo de transistores en modo de conmutación debemos tener en cuenta las especificaciones por pérdidas que se presenten para garantizar el óptimo diseño de nuestro inversor  Muchas veces la velocidad de conmutación de transistores es un problema, en tales casos se puede emplear un condensador en paralelo a base.

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inversor con carga en serie