Lab EP 2014-15 Primer Bimestre GIEAI

CURSO 2014-2015

LABORATORIO DE ELECTRÓNICA DE POTENCIA

Primer Bimestre

Asignatura:

“Electrónica de Potencia”

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Práctica 1

Introducción a Matlab/SIMULINK y análisis de potencia

Primera aproximación al entorno de programación Matlab y, especialmente, al entorno gráfico Simulink que lleva integrado.

Uso y familiarización con la librería SimPowerSystems de Simulink.

Simulación y análisis de potencia de sistemas monofásicos y trifásicos que atacan a distintos tipos de carga.

Análisis Fourier, distorsión y factor de potencia de señales no sinusoidales.

Ejercicios temas 1 y 2.

Matlab es un entorno de programación que combina el cálculo numérico con el empleo de gráficos avanzados. El entorno Simulink se encuentra completamente integrado en Matlab y permite simular de modo gráfico sistemas de índole diversa (mecánicos, eléctricos, hidráulicos, digitales, de comunicación, aeroespaciales, etc.). Para ello dispone de varias librerías con elementos predefinidos que evitan al usuario la programación de los algoritmos o procesos matemáticos más usados en los sistemas antes mencionados. Concretamente, las librerías que se utilizarán durante el desarrollo de la práctica se limitan a dos: librería Simulink, que posee los elementos básicos y comunes a la mayoría de sistemas a simular; y librería SimPowerSystems, donde se incluyen un conjunto de elementos destinados a la simulación de sistemas eléctricos de potencia.

La creación de modelos en Simulink sigue unas pautas sencillas que se esbozan a continuación:

En primer lugar, y una vez arrancado el Matlab, se puede acceder al entorno Simulink tecleando en el espacio de trabajo su nombre. La ventana inicial muestra la lista de librerías disponibles.

Para acceder a la zona de trabajo sobre la que se van a ir disponiendo los distintos elementos a simular es necesario hacer click sobre el icono “New model”. Para disponer los elementos sobre dicha zona basta con arrastrarlos con el ratón desde la ventana de librerías.

2.- INTRODUCCIÓN.

1.- OBJETIVOS.

2

Las conexiones entre elementos se realizan pinchando en el terminal de uno de ellos y, manteniendo el botón pulsado, se desplegará un cable que puede soltarse (liberando el ratón) al llegar al terminal del otro elemento.

La asignación de valores a los elementos se realiza haciendo doble click sobre ellos y rellenando o modificando la ventana de características que aparece asociada a los mismos. Dicha ventana de características es bastante intuitiva y dispone además de un botón de ayuda con información adicional para el usuario.

Un paso importante antes de realizar la simulación consiste en configurar los parámetros de dicha simulación en la pestaña “Simulation Configuration Parameters”. Se abrirá una nueva ventana que permite ajustar, entre otros aspectos, el tiempo y paso de simulación.

En la figura 1 puede verse un diagrama de bloques del esquema básico de trabajo con Matlab-Simulink que va a seguirse durante el desarrollo de las prácticas de laboratorio. El circuito o sistema a simular constará, en la mayoría de ocasiones, de un primer módulo de generación de señales (librerías Simulink subgrupo Sources y SimPowerSystems subgrupo Electrical Sources); un segundo módulo con la circuitería o procesamiento a aplicar a las señales generadas; un tercero con las medidas a realizar (FFTs, cálculo de potencias, etc.); y un último módulo de visualización. Por otro lado, el entorno Simulink y el espacio de trabajo propio del Matlab están relacionados, lo que permite operar con resultados parciales, finales y señales generadas utilizando el potencial de ambas herramientas.

Figura 1.- Esquema de trabajo básico con Matlab-Simulink.

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Cuestión 1.- Simular un sistema de alimentación de alterna sinusoidal monofásico a 50Hz con

220V eficaces cuando ataca una carga que consume la siguiente corriente:

a. Señal sinusoidal con un único armónico (100A eficaces) y retardo de 30º respecto a la tensión.

b. Señal sinusoidal con tres armónicos: primero (100A eficaces), tercero (33A eficaces) y quinto (20A eficaces), todos ellos con un retardo de 30º.

c. Corriente con forma cuadrada, valor eficaz de 100A y retardo de 30º.

Para cada caso (a, b y c) representar:

1.1.- Valores instantáneos de tensión v(t), corriente i(t) y potencia p(t). 1.2- Potencias activa P, aparente S, reactiva Q y de distorsión D.

Cuestión 2.-.- Suponga que la salida de un inversor trifásico es la mostrada en la figura, y que con ella se ataca a una carga R-L serie con R=10 Ω y L=1mH. Represente los valores instantáneos de la corriente por la carga y de la potencia entregada a la misma. Represente el contenido armónico de la tensión y de la corriente. Calcule la potencia consumida por la carga de dos modos: por integración en el tiempo y por superposición de los efectos de los armónicos que superen el 4% del valor eficaz del fundamental.

Cuestión 3.- .- Extender el ejercicio 1 al caso trifásico: simular el análisis de potencia

(representar los valores instantáneos de tensión, corriente y potencia, así como el contenido armónico de la tensión y la corriente) y calcular las potencias aparente, activa, reactiva y de distorsión, incluyendo también PF, DPF y THDi, de un sistema de alimentación de alterna sinusoidal trifásico a 50Hz con 220 V eficaces de tensión de fase cuando ataca una carga que consume la siguiente corriente por fase: a) Sólo el primer armónico (100 A eficaces) con un retardo de 30º.

b) El primer armónico (100 A eficaces), el tercer armónico (33 A eficaces) y el quinto armónico (20 A eficaces), todos ellos con un retardo de 30º.

3.- ACTIVIDAD 1: SIMULACIÓN Y ANÁLISIS A DESARROLLAR.

va500V

-500V

ωt

π/3

2π

2π/3 π/3

π/6

va500V

-500V

ωt

π/3

2π

2π/3 π/3

π/6

4

Cuestión 4 .- (OPTATIVO) Simule un circuito RLC serie (R=5Ω y L=0.25H) con una fuente escalón con valor final 10V a los 0.08s. Ajustar el valor del condensador C para obtener un coeficiente de amortiguamiento ξ<1, ξ=1 y ξ>1, sabiendo que en un circuito

RLC serie 2

R C

L . Analizar la respuesta transitoria del circuito.

Ejercicio 1.- Se dispone de un convertidor de potencia con salida trifásica equilibrada de 50 Hz, de rendimiento η=0.8, como el de la figura 1.

Fig. 1.- Convertidor de potencia con tensión de salida trifásica equilibrada de 50 Hz.

a) Sabiendo que a la entrada el valor eficaz de la tensión es 220 V, y que la forma

de onda de la corriente en dicha entrada es la indicada en la figura 2; calcule el factor de potencia en la entrada.

b) Cuando el generador de entrada entrega 1 kW de potencia, en la salida la tensión de la fase A tiene la forma de la figura 3, siendo las tensiones de la fase B y C idénticas, pero desplazadas 120º y 240º respectivamente. Calcular el valor de Vo si la impedancia de cada fase está formada por una carga en serie con R=10 Ω y L=100 µH. (Puede considerar significativos sólo los tres primeros armónicos no nulos de la tensión de salida).

Fig. 2.- Tensión vG y corriente iG a la entrada del conversor de potencia de la Fig. 1.

Fig. 3.- Tensión vAN fase neutro que proporciona el convertidor de potencia a la carga trifásica.

4.- ACTIVIDAD 2: EJERCICIO PARA RESOLVER Y SIMULAR.

5

Nombres ............................................................................................................................. Fecha: .........................

5.- HOJA DE TRABAJO. Práctica 1: (Simulación: Análisis de Potencia)

Tras realizar la simulación que permita comprobar los resultados de la actividad 2 (ejercicio) indicada en la Sección 4, aporte la siguiente documentación:

o Fichero .mdl del circuito simulado.

o Gráfica que represente la potencia instantánea, potencia aparente, potencia media,

potencia reactiva debida al primer armónico y potencia de distorsión, a la entrada del convertidor de potencia.

o Gráfica con las corrientes por la rama A, B y C de la carga, así como la corriente

que retorna por el neutro.

NOTA 1: Particularice los resultados entregados para un valor eficaz de tensión de entrada de valor 220*[Nº de puesto ocupado]

NOTA 2: Esta hoja de trabajo debe entregarse durante la semana siguiente después de la finalización de la Práctica 1.

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Práctica 2

Montaje de MOSFET’s de potencia en conmutación

Analizar el comportamiento de un dispositivo electrónico de potencia, concretamente los MOSFETs. Para esto se van a realizar una serie de montajes prácticos donde se van a comprobar distintas estrategias de excitación de los MOSFET.

1 transistor MOSFET canal N, por ejemplo el BUZ71A u otro de características

similares (por ejemplo, el BUZ72).

1 transistor MOSFET canal P, por ejemplo el IRF9530 u otro de características similares.

1 circuito integrado CD4049 (inversor CMOS).

1 diodo rápido UF4001.

1 diodo lento 1N4001.

En los distintos montajes prácticos que se proponen a continuación se va a utilizar como carga un motor DC. La referencia del motor es 110851, y los datos técnicos son los que se muestran en la fig. 1.

3.- MOTOR DC.

1.- OBJETIVOS.

2.- MATERIAL NECESARIO.

7

Fig. 1. Características técnicas del motor DC.

8

4.1. Excitación de MOSFET canal N (con carga en drenador)

1

MOTORDC

t

12V

3 2

5 4

7 6

9

8

10

V1

VDC

Fig. 2. Excitación de un MOSFET canal N (con carga en drenador)

4.2. Excitación de MOSFET canal P (con carga en drenador)

MOSFET-P

M1

IRF9530

t

9 10

6

5

7

4

1

3

MOTORDC

2

8

Fig. 3. Excitación de un MOSFET canal P (con carga en drenador)

4.- MONTAJES PRÁCTICOS.

9

4.3. Excitación de MOSFET canal N (con carga en surtidor y alimentación flotante)

12VVDC

1

8

3 2

MOTORDC

t

Fig. 4. Excitación de un MOSFET canal N (con carga en surtidor y alimentación flotante)

10

Nombres: ............................................................................................................................. Fecha: .........................

5.1.- EJERCICIO 1: Excitación de MOSFET CANAL N con carga en DRENADOR

Cuestión 1: Las siguientes cuadrículas representan la pantalla del osciloscopio, dibuje sobre ellas al menos un período de las señales vGS (canal 1) y vDS (canal 2), y explique a qué fenómeno se debe cada tramo, para los siguientes casos: a) Frecuencia menor de 10Hz, sin aplicar carga mecánica al motor. Ciclo de trabajo

del 50%.

5.- HOJA DE TRABAJO. Práctica 2: (Montaje de MOSFET’s de potencia en conmutación)

Ensayos a realizar para cada uno de los montajes de la sección 4:

Visualice las señales vGS y vDS para distintos valores de frecuencia (menor de 10Hz, 100Hz, 1KHz y 100KHz) y ciclo de trabajo (25%, 50% y 100%). Observe para cada caso la velocidad del motor.

Repita las pruebas del apartado anterior aplicando carga al motor. NOTA: Esta Hoja de Trabajo se irá completando a mano a la par que se van evaluando los montajes y se entregará al finalizar la misma.

CH1: Voltios/div: Tiempo/div: CH2: Voltios/div: Tiempo/div:

1

2

11

Explicación:

b) Frecuencia menor de 10Hz, aplicando alta carga mecánica al motor. Ciclo de trabajo del 50%.

Cuestión 2:

¿Por qué se conectan en paralelo varias puertas inversores CD4049? ¿Se podría realizar esta conexión con puertas inversoras 74LS04?

Cuestión 2:

¿Se puede emplear en este circuito una alimentación de 24V?

Explicación:

c) Frecuencia de 10KHz, sin aplicar carga mecánica al motor. Ciclo de trabajo del 50%.

Cuestión 2:


Cuestión 2:



1

2


1

2

12

Explicación:

d) Frecuencia de 10KHz, aplicando alta carga mecánica al motor. Ciclo de trabajo

del 50%.

Cuestión 2:


Cuestión 2:


Explicación:

Cuestión 2: ¿Qué efecto tiene sobre el motor la variación del ciclo de trabajo?¿y la variación de frecuencia?

Cuestión 3:

¿Por qué se conectan en paralelo varias puertas inversoras CD4049? ¿Se podría realizar esta conexión con puertas inversoras 74LS04?

Cuestión 4:



1

2

13

5.2.- EJERCICIO 2: Excitación de MOSFET CANAL P con carga en DRENADOR

Cuestión 5: Las siguientes cuadrículas representan la pantalla del osciloscopio, dibuje sobre ellas al menos un período de las señales vGS (canal 1) y vDS (canal 2), y explique a qué fenómeno se debe cada tramo, para los siguientes casos: a) Frecuencia menor de 10Hz, sin aplicar carga mecánica al motor. Ciclo de trabajo

del 50%.

Explicación:

b) Frecuencia menor de 10Hz, aplicando alta carga mecánica al motor. Ciclo de

trabajo del 50%.

Explicación:


1

2


1

2

14

c) Frecuencia 10KHz, sin aplicar carga mecánica al motor. Ciclo de trabajo del 50%.

Explicación:

d) Frecuencia 10KHz, aplicando alta carga mecánica al motor. Ciclo de trabajo del 50%.

Explicación:

Cuestión 6: ¿Se puede emplear en este circuito una alimentación de 24V?


1

2


1

2

15

5.3.- EJERCICIO 3: Excitación de MOSFET CANAL N con carga en

SURTIDOR Cuestión 7: Comente los parecidos o diferencias que encuentra entre las gráficas vGS- vDS obtenidas en este ejercicio con las correspondientes del ejercicio 1 (MOSFET CANAL N con carga en drenador).

Cuestión 8:

Explique brevemente cómo funciona el circuito de excitación del MOSFET.

Cuestión 9:

¿Por qué se requiere una fuente de alimentación “flotante”?

Cuestión 10:

¿Se puede emplear en el circuito la misma fuente de alimentación? ¿y dos fuentes de alimentación diferentes, una de 12V flotante para el circuito de excitación y otra de 12V referida a masa para la parte de potencia del circuito?

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Práctica 3

Simulación de convertidores DC-DC.

Simular con MATLAB el comportamiento de un convertidor DC-DC reductor. Partir de los valores base mostrados en la siguiente figura:

DATOS BASE (Excepto que se indiquen expresamente otros valores):

VI = 200 V; L = 1mH; C= 100 μF; R= 10 Ω; D= 0,6; fs=10 kHz

NOTA1: Para la simulación del interruptor se recomienda utilizar el componente “Ideal Switch“ de la librería SimPowerSystemsPower Electronics, con sus valores por defecto y teniendo en cuenta que la señal de control de dicho interruptor será cuadrada de ciclo de trabajo D y frecuencia fs. En la misma librería puede encontrarse el diodo, que se configurará con los siguientes valores: Ron=0.01Ω, Lon=0H, Vf=0.8v, Snubber Rs=1000 Ω, Snubber Cs=0.1e-6F. NOTA2: Si opta por un paso de simulación variable, elija el algoritmo “ode23t“ con tolerancia relativa igual a 1e-4. En caso de elegir un paso fijo procure que la resolución sea suficiente. Considere al menos un tiempo de simulación de 0.03s. Bloque Powergui con tipo de simulación discreta. Cuestión 1.- Analizar y representar las corrientes y tensiones instantáneas sobre el interruptor de potencia, sobre L, y sobre R; así como la corriente y la tensión (sin componente continua) sobre C, en los dos casos siguientes: 1.1.- Si R= 10 Ω.


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1.2.- Si R= 100 Ω. Cuestión 2.- Con los datos base, realizar una simulación paramétrica variando L desde 0.05 mH hasta 1 mH (en saltos, por ejemplo, de 0.05 mH) para representar VO=f(L). Analizar el resultado. Cuestión 3.- Repetir el apartado anterior variando ahora R desde 1Ω hasta 100Ω para representar VO=f(R). Analizar el resultado. Cuestión 4.- Repetir la simulación paramétrica nuevamente, variando ahora D, desde 0.1 a 0.9 (en saltos de 0.1) y represéntese VO=f(D), para dos situaciones de carga (R= 10 Ω y R=100 Ω ). Cuestión 5.- Obténgase una familia de curvas VO=f(R)|D, con R variando desde 1Ω hasta 101Ω (en saltos de 10Ω), para valores de D: 0,1, 0,3, 0,5, 0,7 y 0,9. Represéntense todas las curvas sobre los mismos ejes e interpretar los resultados. Ejercicio 1.- Simular con MATLAB, el comportamiento de un convertidor DC-DC flyback. Partir de los valores base mostrados en la siguiente figura:

DATOS BASE

VI = 200 V Lm = 1mH C= 100 μF R= 10 Ω D= 0,6

fs= 10 kHz N1/N2=2

a) Representar, hasta alcanzar el régimen permanente, las corrientes y tensiones instantáneas sobre el interruptor de potencia, sobre Lm, sobre D y sobre R; así como la corriente y la tensión (sin componente continua) sobre C, en los dos casos siguientes: a.1.- Si R= 10 Ω. a.2.- Si R= 100 Ω. b) Con los datos base, realizar una simulación paramétrica variando Lm desde 0,1mH hasta 1,1 mH (en saltos, por ejemplo, de 0,2 mH) para representar Vo=f(Lm). Analizar el resultado.

2.- ACTIVIDAD 2: EJERCICIOS PARA RESOLVER Y SIMULAR

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Nombres ............................................................................................................................. Fecha: .........................

Tras realizar la simulación que permita comprobar los resultados de la actividad indicada en la Sección 2, aporte la siguiente documentación:


o Gráfica que represente la tensión de rizado a la salida para los dos valores de

resistencia de carga considerados (R= 10 Ω y R= 100 Ω), según el apartado a). Represente ambas tensiones sobre los mismos ejes, en color rojo para el primer caso y en color azul para el segundo. Incluya las leyendas en la gráfica.

o Gráfica que represente Vo=f(Lm), según el apartado b).

NOTA1: Particularice todos los valores entregados para el caso en que la tensión VI de entrada es (1+P/100)*200V, siendo P= número de puesto ocupado en el laboratorio. NOTA: Esta hoja de trabajo debe entregarse durante la semana siguiente después de la finalización de la Práctica 3.

3.- HOJA DE TRABAJO. Práctica 3: (Simulación de convertidores DC-DC)

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Práctica 4

Teoría de funcionamiento y simulación de un convertidor DC-DC en puente completo

Estudio de la teoría de funcionamiento y comportamiento de un convertidor DC-DC en puente completo, con distintas estrategias de control PWM.

Simulación del comportamiento de un puente completo con PWM para salida bipolar y para salida unipolar.

Simulación de un ejercicio para establecer comparaciones con los resultados teóricos.

Ver transparencias específicas (en documento aparte).

Simular con MATLAB, sobre el fichero MDL de Simulink adjunto el comportamiento de un convertidor DC-DC en puente completo. Partir de los valores base mostrados en la siguiente figura y añadir al modelo, que se entrega con la estrategia de conmutación bipolar, la estrategia de modulación unipolar.


2.- DESARROLLO TEÓRICO.

1.- OBJETIVOS.

20

DATOS BASE (Excepto que se indiquen expresamente otros valores):

VI = 100 V Motor: Lm = 10mH E= 25V R= 1 Ω Control señales conmutación: Vtri,p=1 V , fs= 1 kHz , -1≤vcontrol≤1

Cuestión 1.- Representar las siguientes señales, justificando sus formas de onda, para los dos casos de generación de señales PWM contemplados (PWM bipolar, PWM unipolar), y los siguientes ciclos de trabajo DTA+ = 0,25; 0,5; 0,75 y 0,9.

a) Señales de control de la conmutación: vtri, vcontrol y, si corresponde, –vcontrol. b) Señales de control de los interruptores del puente: TA+, TA-, TB+ y TB-. c) Tensión sobre la carga vO y valor medio VO. d) Corriente por la carga iO. e) Corriente en uno de los interruptores del puente iTA+.

Cuestión 2.- Para el caso PWM bipolar, represéntense los valores eficaces del rizado de tensión y rizado de corriente en la carga, en función del ciclo de trabajo DTA+ (considere valores desde 0.05 hasta 0.95, en saltos de 0.05). Cuestión 3.- Repetir el apartado 2, pero ahora seleccionando PWM unipolar. Compare los resultados obtenidos en el apartado 2 (caso bipolar), con los obtenidos en el apartado 3 (caso unipolar).

Ejercicio 1.- En un convertidor DC-DC en puente completo como el de la figura 1, para un valor de vcontrol= -3V, se supone que vtri es una señal triangular, de media nula, frecuencia 20kHz y 10V de tensión de pico a pico. La tensión de entrada es constante de valor VI=24V, y la tensión de salida es controlada variando el ciclo de trabajo, según el siguiente criterio:

TA+ ON si vcontrol< vtri TB+ ON si –vcontrol<vtri

Figura 1

4.- ACTIVIDAD 2: EJERCICIO PARA RESOLVER Y SIMULAR.

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a) Determine el valor medio de la tensión de salida VO. b) Obtenga el valor eficaz de la tensión de rizado a la salida Vo,rms. c) Si la carga impone una corriente constante de valor iO = IO = 5A, calcule la potencia

entregada a dicha carga e indique qué dispositivo del puente conduce en cada instante (a lo largo de un período).

Nombres ............................................................................................................................. Fecha: .........................

5.- HOJA DE TRABAJO. Práctica 4: (Simulación DC-DC Puente Completo)

Realice la simulación que permita comprobar los resultados de la actividad 2, indicada en la Sección 4, teniendo en cuenta que el valor a considerar de Vcontrol debe ser:

Vcontrol = (Nº de puesto/3 +1) V Proporcione:


o Gráfica que represente la tensión de salida instantánea y su valor medio. Otra gráfica con la tensión rizado a la salida y su valor eficaz.

o Gráfica con las corrientes por todos los dispositivos del puente (MOSFETs y diodos). NOTA: Esta hoja de trabajo debe entregarse durante la semana siguiente después de la finalización de la Práctica 4.

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Memoria final del Primer Bimestre

Esta memoria se debe ir cumplimentando a lo largo del bimestre, para su entrega en la fecha oficial establecida en el calendario. Se deberán aportar los ficheros .mdl que han permitido las simulaciones de las prácticas 1, 3 y 4, junto con un fichero PDF con el siguiente contenido:

- Cabecera con escudo de la UAH y/o Dpto de Electrónica, titulación, curso académico, bimestre, prácticas desarrolladas y nombre de los alumnos.

- Índice con referencias a páginas (se paginará el documento).

- Introducción (inferior a dos páginas) donde se realice un resumen de la actividad desarrollada y logros de aprendizaje obtenidos, así como de la estructura del resto del documento.

- Sección donde se reporte lo desarrollado en el apartado 3, cuestión 3, de la Práctica 1. Se indicará, con gráficas y explicaciones, qué y cómo se ha simulado, qué resultados se han obtenido y qué conclusiones se derivan.

- Sección donde se reporte lo desarrollado en el apartado 1, cuestión 5, de la Práctica 3. Se indicará, con gráficas y explicaciones, qué y cómo se ha simulado, qué resultados se han obtenido y qué conclusiones se derivan.

- Sección donde se reporte lo desarrollado en la Actividad 1, cuestiones 2 y 3, de la Práctica 4. Se indicará, con gráficas y explicaciones, qué y cómo se ha simulado, qué resultados se han obtenido y qué conclusiones se derivan.

Nota: Todas las figuras y tablas del documento llevarán su correspondiente pie explicativo de lo que contienen, precedido del número de figura o tabla. Dicho número se usará para referenciar la figura o tabla en el texto. Se valorará, además de la corrección de los aspectos técnicos tratados, la edición formal del documento.

1.- MEMORIA FINAL A ENTREGAR

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