4. DISEÑO DE LA ARQUITECTURA DEL CONVERTIDOR

3.1 CARACTERÍSTICAS DEL DIESEL AL QUE SE CONECTA

Los datos de partida dados por la red se representan a continuación en la Tabla 2. La potencia máxima que se desea convertir con el inversor NPC va a ser de aproximadamente 13.5 KW.

Parámetros Valor

Tensión de red VAC (V) 400

Frecuencia de red (Hz) 50

Potencia (KVA) 100

Corriente IAC (A) 50

Tabla 1: Datos de partida de la red

3.2 REQUERIMIENTO A COMPONENTES

Los componentes (diodos, IGBT y condensadores) deberán cumplir los siguientes requisitos (Tabla 3) para el correcto funcionamiento del inversor.

DC Input

Max. DC voltage [Vdc] 900

Max. input current [A] 15

Max. DC power [kW] 13.5

AC Output

Rated AC voltage [Vac, rms, ll] 400

Frequency rated [Hz] 50Hz

Rated AC power [kVA] 13.5

Maximum output current [Arms] 19.5

Tabla 2: Características técnicas de inversor NPC

3.3 DISEÑO POR SUBSISTEMAS

El sistema completo del convertidor NPC se dividirá en distintos módulos o subsistemas, que se pueden ver en la figura 21.

Figura 1: Módulos del convertidor y adaptación a red

El convertidor es la parte principal del sistema. Comprende la parte de potencia formada por los IPMs (Intelligent Power Module), y éste a su vez por los condensadores del DC-Link, los IGBTs, los diodos y su placa de drivers.

Las protecciones estarán formadas por magnetotérmicos y contactores.

El bloque de medidas se encargará de tomar información de tensión y corriente del convertidor y transmitirla al control central.

La parte de control central procesará la información recibida por el bloque de medidas, para que éste actúe, realice las operaciones necesarias para el control y module.

El módulo de adaptación de señal enlaza el convertidor y el sistema de control central, adecuando las señales que recibe, ya sea adaptando los disparos a los niveles de tensión adecuado, como los errores pertinentes recibidos, en este caso, errores de driver.

A continuación se describirán los componentes principales que forman el inversor.

3.3.1 IGBT

A la hora de seleccionar la pastilla de semiconductor, se ha optado por el modelo SKM100GB12V [19], capaz de soportar 1200 V. La parte que comprende el DC-Link de nuestro inversor deberá soportar 750 Vdc como mínimo, con un margen de seguridad propuesto que llegue hasta 900 V y una intensidad nominal suficiente para que el transistor y el diodo no sufran daños. En la figura 3 se puede ver la pastilla de IGBT que se ha elegido, mientras que en la tabla 3 se pueden ver los rangos de uso para este modelo. Serán necesarias 6 pastillas de este modelo, 2 por cada rama.

Figura 2: Pastilla de IGBT modelo SKM100GB12V.

Rangos máximos absolutos

IGBT

Vces (Collector-emitter voltage) 1200 V

Ic,nom (Continuous collector current) 100 A

ICRM (Repetitive peak collector current) 300 A

Tj (Junction temperature) -40, 150 ºC

Diodo

If,nom (Forward current) 100 A

IFRM (Repetitive peak forward current) 300 A

Tj (Junction temperature) -40, 150 ºC

Tabla 3. Características de los IGBT.

3.3.2 Diodos

Como se observa en nuestra configuración (Figura 1), necesitamos 6 diodos de conmutación. La importancia de los diodos conectados al punto medio en esta

tecnología se debe a que son los encargados de fijar las tensiones de bloqueo de los interruptores a una fracción de la tensión del bus de continua. Se requiere que los diodos sean de recuperación rápida y que soporten la corriente nominal del inversor.

En este caso se seleccionaron como diodos las mismas pastillas de IGBT usadas, salvo que ahora usaremos los diodos en antiparalelo que tiene esta pastilla. Para ello no se podrán dejar al aire las puertas de los transistores ni cortocircuitarlas, sino que habrá que alimentarlas.

Las características de estos diodos se encuentran en la tabla 3.

3.3.3 Condensadores

El modelo seleccionado es el ALS31A222NF450 de BHC components. Se observa en la tabla 4 sus principales características. El hecho de que la capacidad sea de 2200 uF se debe a que son los que estaban disponibles en el laboratorio.

Figura 3. Condensador seleccionado.

Capacidad 2200 uF

Tolerancia +/- 20%

Voltage Rating 450 Vdc

ESR 0.059 ohm

Tabla 4. Características del condensador elegido.

3.3.4 Sensores

En el inversor NPC se realizarán una serie de medidas de tensión e intensidad para conocer en todo momento el estado del sistema. Estas medidas son importantes para el control del convertidor y se conectan directamente con el sistema de control central. Se van a realizar concretamente 8 mediciones, siendo éstas:

o 3 medidas de intensidades, una por fase.

o 2 medidas de tensión AC, Vrs,l y Vst,l.

o 2 medidas tensión DC.

DIESEL GENERATOR

30 KVA - 400 V – 50 Hz

Q1

4P 800V3x¿?mm2Q0

3P

DC

AC

3x1.2 m

H

3x¿?mm2

TRANSFORMER

100 KVA

600/690 Vac

DC

DC

Fuentes

De

Continua

3x¿?mm2

3x¿?mm2

Q2

4P 265A

400Vac

Autoinductancia

variable

Sensor

Vdc

Sensor

Vdc

SensoresVac

SensoresIac

Figura 4. Situación de los sensores de intensidad y corriente

3.3.4.1 Sensores de corriente

Para la medida de corriente se utilizarán sensores Hall con salida en corriente debido a su inmunidad frente al ruido electromagnético.

Se usará el modelo de LA 55-p[21], cuyas características se observan en la tabla 5. Se eligió este modelo por disponer de él en el laboratorio.

Figura 5. Sensor de corriente modelo LA 55-p.

Características eléctricas

Ipn Intensidad nominal en el primario 50 Arms

Ip,r Rango de intensidad medida en el primario 0-70 A

Isn Intensidad nominal en el secundario 50 mArms

K Ratio de conversión 1:1000

V Voltaje de alimentación +/- 12-15 V

Ic Intensidad consumida 10+ Isec mA

Tabla 5. Características eléctricas del sensor modelo LA 55-p.

3.3.4.2 Sensores de tensión

Para la medida de la tensión en el lado de la red y en el lado de la máquina a 690V de línea, se utilizarán sensores con efecto Hall.

Se utilizará el modelo de LEM LV25-800[22]. Se eligió este modelo por disponer de él en el laboratorio. Sirve para medir tensiones tanto de AC como de DC. Posee aislamiento galvánico entre el primario y el secundario. Para medir tensiones deberemos colocar una resistencia externa al diodo, para convertirlas a corriente. En la tabla 6 se observan sus características.

Figura 6. Sensor de tensión modelo LV25-P

Características eléctricas

Ipn Intensidad nominal en el primario 10 Arms

Ip,r Rango de intensidad medida en el primario 0-14 A

Isn Intensidad nominal en el secundario 25 mArms

K Ratio de conversión 2.5:1000

V Voltaje de alimentación +/-15 V

Ic Intensidad consumida 10 + Isec mA

Tabla 6. Características eléctricas del sensor modelo LV 25-p.

3.3.5 Inductancias

Se incluyen bobinas a la salida del equipo en la parte de AC para filtrar las corrientes obtenidas. Se escogen las que estaban disponibles en el laboratorio. Son unas inductancias en las que se puede seleccionar el valor de la bobina entre 0.8, 1 y 1.2 mH. En la siguiente figura podemos observar las 3 inductancias colocadas en el equipo, una por fase:

Figura 7. Inductancias de filtrado del equipo.

3.3.6 Drivers

Se va a utilizar el driver SKYPER 32 PRO R [23] que se muestra en la figura 9, el cual permite trabajar de la manera deseada, es decir, disparando los igbts de cada pastilla de manera independiente. Presenta, entre otras, las siguientes características:

o UL 508C. o Dos canales de salida. o Protección Under voltage. o Protección contra cortocircuito. o Apagado suave.

Figura 8. Driver Skyper32PRO R.

Valores máximos admisibles

Vs Tensión de alimentación 16 V

Iout,peak Pico de corriente de salida 15 A

Fmax Frecuencia máxima conmutación 50 KHz

Vce 1700 V

Rg,on,min Resistencia de encendido mínima 1.5 ohm

Rg,off,min Resistencia de encendido máxima 1.5 ohm

Tabla 7. Características Driver SKYPER 32PRO

Permiten el control independiente de cada uno de los transistores que es capaz de gobernar. La particularidad que presenta este caso, es que para ello obliga a una configuración en la que los tiempos muertos introducidos internamente por el driver son 0, es decir, las señales de disparo que se generen en el hardware de control central (en este caso la FPGA) deben hacerse cargo de la inserción de estos tiempos muertos con el fin de evitar cortocircuitos en las conmutaciones.

3.3.7 Placas

3.3.7.1 Placas de medidas

Las placas de medidas corresponden tanto a las de tensión como las de intensidad. Su funcionamiento se explicó en los apartados 2.3.4.1 y 2.3.4.2. Los sensores de tensión serán 5, para tomar las 3 medidas de tensión alterna y 2 de continua, aunque finalmente se decidió que las medidas de alterna fueran de línea, en vez de fase. Los sensores de intensidad serán 3, uno por fase.

Las siguientes imágenes muestran las placas:

Figura 9: Placa de sensores de tensión.

Figura 10. Placa de sensores de corriente

3.3.7.2 Placa de drivers

Puesto que los disparos lo controla la FPGA y se envían al driver a través de fibra óptica se hace necesaria una placa de adaptación que las adecúe a las características necesarias para atacar a los drivers:

Adaptación de los disparos procedentes de fibra óptica.

Apagado suave de los IGBTs centrales.

Supresión de los tiempos muertos, ya que esto está implementado en software como objetivo del proyecto en la FPGA.

En la siguiente figura podemos observar la pcb diseñada:

Figura 11. Placa de drivers Skyper32PRO

3.3.8 Ventilación

El modelo de ventilador elegido para cada módulo es el SKF 9-230-01[24]. Presenta las siguientes características:

F Frecuencia 50/60 Hz

V Tensión 230 V

Q Caudal 375 m3/h

P Potencia 24 W

N Ruido 54 dB

Tabla 8. Características ventilador SKF 9-230-01.

Figura 12. Ventilador SKF 9-230-01.

3.3.9 Alimentación de sensores, placa de control y ventilación

El modelo de la fuente de alimentación es el MW T-60C [25] de Mean Well. Éste se encarga de alimentar todos los elementos que precisen de la misma. Las características que presentan son las siguientes:

Vac Voltaje alimentación 240 V

Vs1 Tensión salida 1 5 V

Vs2 Tensión salida 2 15 V

Vs3 Tensión salida 3 -15 V

Is1 Intensidad salida 1 5 A

Is2 Intensidad salida 2 2 A

Is3 Intensidad salida 3 0.5 A

Tabla 9. Características de la fuente de alimentación MW T-60C.