diseño de un inversor trifasico dc/ac

El problema que tengo es como diseñar un inversor trifasico dc/ac para una potencia de 10kw y baja tension 380(V), osea nose como elegir el dispositivo apropiado mosfet, igbt,scr, etc, la fuente de corriente continua para generar alterna con menor grado de contaminacion armonica, pero la verdad es como puedo elegir la llave electronica para generar corriente alterna, bueno tambien nose como hacer el diseño de un circuito de control de disparo a bajas frecuencias o altas frecuencias y lo que busco primero es como poder empezar en el diseño de del inversor tomando en cuenta las caracteristicas tecnicas de una llave de potencia(mosfet, igbt, scr, etc).
Pero lo mas importante quisiera algunas paginas donde pueda obtener libros, temas, ejemplos de diseños de inversor dc/ac para bajar gratuittamente.
Solo encontre varias tesis de doctorado y hacen referencia de como se realizo la simulacion y no haci en como se hizo el diseño del inversor tomando en cuenta la tension, corriente, proteccion contra snubber de una llave electronica de potencia

Buenas estimado amigo Walter... muy lindo e interesante tema... Mirá, te tiro como dato para orientarte un poco sobre el tema lo siguiente; Se me ocurre, que podes implementar la base del circuito de un variador, lo unico que tendrías que omitir, seria la etapa rectificadora, pues si no mal interprete tu mensaje, mencionas que tienes una corriente continua y deseas hacer una salida alterna trifasica....
El diseño del circuito, el calculo para tal, no son o mejor dicho, no tiene un calculo muy extenso, estos son mas bien sencillos e intuitivos...

Diagrama en bloques


Control de frecuencia
Esta etapa , solo consta de un temporizado estable ó clock ,el cual controla la frecuencia del equipo. Podes implementar un microcontrolador, pero para este ejemplo, se selecciono el temporizador 555 por su facilidad de aplicación, bajo costo y por su gran disponibilidad en el mercado.


Cálculos:
Para calcular la frecuencia mínima y máxima, sé a de tener en consideración que este tipo de variador es de seis pasos, por consiguiente la frecuencia mínima y la frecuencia máxima deseada para el variador se debe multiplicar por 6, para poder determina el valor dela frecuencia que debe existir en la salida del 555, para nuestro caso los valores son los siguientes:
Frecuencia mínima = 5hZ 5HZ•6= 30hZ
Frecuencia máxima = 67 hZ 67HZ•6= 402hZ
La frecuencia que se debe de obtener en la salida del 555 es de un mínimo 30hZ y un máximo de 402hZ
Se sabe que tiempo T = 1/f
Por consiguiente:
T min.= 1/30 = 33,333 ms.
T max.=1/402= 2,487 ms.
Estos tiempos dados incluyen los tiempos TON y TOFF de la señal, los cuales deben de ser separados en partes iguales para así obtener un ciclo positivo y negativo idénticos:
T min. = 33,333m / 2= 16,6665ms.
[color=green]T max.= 2,487m / 2= 1,24375ms.
En esta etapa los tiempos TON y TOFF son aproximadamente iguales producto del diodo que se encuentra en paralelo a la resistencia y al potenciómetro.
El tiempo se obtiene de la siguiente formula:
[color=green]T= 0,69•R•C R = dependiendo de que frecuencia se desea calcular
donde:
C = valor condensador en faradios
T = tiempo en segundos
0,69 = constante

El valor de la resistencia dependerá del valor de la frecuencia que sé este calculando, ósea, para calcular la frecuencia máxima, el potenciómetro debe de estar en su valor ohmico mínimo, con esto se diminuye la resistencia de carga del condensador electrolítico, asiendo que la frecuencia sea máxima en la salida del 555, entonces para este calculo solo se debe de tomar la resistencia de 820 y para una frecuencia mínima, el potenciómetro de 10k sé a de colocar en el valor máximo entonces se debe de sumar el valor ohmico máximo del potenciómetro con la resistencia. Con esto en mente el calculo queda de la siguiente manera:


La frecuencia mínima deseada en un principio era de 30hZ se obtuvo un valor de 30,44hZ y la frecuencia máxima era de 402hZ y se obtuvo 401,683hZ, si estos valores son divididos en por 6 se obtiene la frecuencia final de las líneas, ósea, 5,073hZ mínimo y como máximos 66,947hZ. Ambos valores son bastantes cercanos a los propuestos en un principio (5hZ y 67hZ), para mejorar en cuanto a la exactitud de la frecuencia deseada se debe remplazar las resistencias por potenciómetros de ajuste ya que con estos se puede lograr un valor ohmico mas preciso.

Control de desfase y disparo

Esta etapa consta como se ve en la figura de un 555, un registro de desplazamiento de 8 bits y 6 compuertas NOR.
El registro de desplazamiento genera un barrido en este caso de 6 bits. Cuando aya un franco positivo enviado por la etapa de control de frecuencia, desplazara 1 bits en la salida desde QA hasta QF luego reiniciándose automáticamente para posteriormente volver a generar un nuevo barrido, para posteriormente ser desplazado
como se describió anteriormente.
Mientras que las 6 compuertas, generan el desfase y a la vez proporcionan los voltajes para poder excitar las entradas de la etapa de acoplamiento. El 555, se utiliza como temporizador básico, el cual tiene como función cargar los datos de la entrada del registro de desplazamiento al momento de encender el variador de frecuencia y mandarlos a las salidas del registro de desplazamiento mediante la aplicación de un pulso de aproximadamente de
62.7ms. a la entrada S1 del registro de desplazamiento. A este tipo de circuito de control ó disparo de se denomina de seis pasos.

Etapa de acoplamiento


Manejadores de salida
Como se puede observar en la figura anterior el circuito consta de 6 manejadores de salida los cuales reciben sus entradas de los 3 generadores de señales de entrada, cada generador provee dos salidas, los tres manejadores bajos de salida están manejados directamente por el generador de señales L1, L2, L3. Pero las señales que maneja el lado alto H1, H2, H3 necesitan ser cambiadas de nivel antes de ser aplicada a los manejadores del lado alto.
Un circuito detector de bajo voltaje esta en todo momento monitoreando el nivel de VCC el cual provee una señal para inhibir las seis salidas de señales. Además hay circuitos individuales detectores de bajo voltaje para cada una de las salidas del lado alto.
La señal de ITRIP la cual puede ser derivada a un sensor de corriente en el circuito principal de potencia del equipo, es comparada con una referencia de 0.5volts y después va a una compuerta OR a la cual también llega una señal de bajo voltaje (UV), la salida de esta compuerta inhibirá las seis salidas de los generadores si se presenta una de sus dos entradas.
Un circuito lógico de FAULT que se activa por las señales de entrada de UV e ITRIP provee una señal TTL de salida, para indicación ó diagnostico de sistema. Hay también un amplificador interno de corriente que provee una señal análoga proporcional a la frecuencia del voltaje de VSS y VS0.
Una resistencia de monitoreo en el circuito de potencia principal puede proveer un voltaje positivo en VS0 y por medio de una resistencia de retroalimentación el amplificador de corriente puede ser escalado par generar un voltaje de 0 a 5 volts como una función de la carga actual.

Protección de bajo voltaje (UV)
Una condición de bajo voltaje en el nivel de VCC definido como menos de 8.9 volts (cuando el VCC esta reducido) y menos de 9.3 volts nominal cuando VCC es incrementado causa que toda las salidas sean apagadas.

Protección de sobre corriente (ITRIP)
En caso de un corto circuito o una sobrecarga es deseable apagar toda las salidas. Esto se logra a través de un comparador de corriente que monitora la caída de voltaje en una resistencia de monitoreo (resistencia ITRIP), Instalada en el lado bajo y que es comparada con una referencia de 0.5 volts.
La salida del comparador de corriente y la del circuito de UV van a una compuerta OR, de esta forma cualquiera de las dos pueda hace actuar el circuito de FAULT.

Circuito de FAULT
Este circuito consiste en un latch, el cual es puesto a 1 por cualquiera de las dos combinaciones mencionadas anteriormente, esta condición de 1 produce 2 señales de salida una de estas es usada para inhibir las 6 salidas de control y la otra salida aparece como un indicador de FAULT, esta condición se expresa como un nivel lógico bajo el cual es capaz de controlar un diodo led o un circuito externo. Esta condición de FAULT mantendrá las salidas bloqueadas hasta que el usuario mantenga las entradas del lado bajo en un nivel lógico 0 por mas de 10 microsegundos ó forzando VCC esto quiere decir eliminando la alimentación del circuito.

Manejadores de salida
El IR2130 tiene seis manejadores de salida tres de estos referenciados a VS0 y tres manejadores flotantes capaces de trabajar con voltajes de offset de asta 600 volts positivos con respecto VS0. todas las salidas tienen lógica invertida todas ellas van a positivo con su correspondiente 0.5 volts de entrada, LIN ó HIN van a nivel bajo a menos que haya una condición de FAULT. La corriente de salida típica es de 250mA en el franco de subida y
500mA en el franco de bajada.

Manejadores de salida del lado bajo
Por causas del requerimiento del amplificador de corriente y para incrementar la inmunidad al ruido entre la tierra de potencia y la tierra de referencia del circuito lógico, la capacidad de offset entre VS0 y el VSS es bidireccional entre ± 5olts.

Manejadores del lado alto
Cuenta con protección de UV individual y un offset que les permite un buen disparo de los dispositivos de potencia del lado alto.

Etapa IGBT

Esta etapa consta de 6 transistores de potencia, en este caso se utilizaron IGBT, lo cual es tan solo una opción de selección ya que también se pueden utilizar MOSFET y transistores de potencia, para lo cual se debe de tomar en consideración, la potencia y el voltaje al cual serán expuestos.

El conjunto de transistores se puede dividir en tres ramas, ósea:
• La rama R esta gobernada por los transistores Q1 y Q2
• La rama S esta gobernada por los transistores Q3 y Q4
• La rama T seta gobernada por los transistores Q5 y Q6
Cada uno de los transistores de potencia esta protegido por un diodo polarizado en inversa, estos diodos solo actuara cuando se utilice una carga inductiva. Como requisito de selección del diodo a de ser del tipo rápido.
La forma de onda y los desfases de cada una de las salidas R, S, T ó A, B, C y de los transistores se puede ver en el diagrama de tiempo.


La forma de accionamiento de cada transistor y la forma de onda que estos provocan en las líneas se presenta a continuación de forma independiente
TIEMPO 1

TIEMPO 2

TIEMPO 3

TIEMPO 4

TIEMPO 5

TIEMPO 6


Circuito esquemático


Circuito alternativo



Conclusiones
El circuito que sé a presentó se puede considerar como básico por esta razón a este circuito se pueden hacer bastantes mejorías como:
• La fuente de alimentación trifásica, en especial los diodos remplazarlos por SCR, así obtener un control del voltaje y obtener así una mayor corriente proveniente de la fuente, en caso de hacer esta variación se debe aumentar la potencia de la resistencia ITRIP
• Eliminar la fuente de alimentación de los circuitos de control y de acoplamiento para remplazarla por una fuente gobernada por zener, la idea es no tener que depender de un neutro para su utilización y de esta manera eliminar el transformador de esta fuente, con esto, disminuyendo el peso, espacio y las posibles interferencia provocadas por el campo magnético natural producido por este tipo de transformadores.
• En la etapa de filtros se puede eliminar unos pocos condensadores y utilizar filtros del tipo ´´L´´ o ´´T´´ o la combinación de ambas como lo son los filtros del tipo ´´LL´´ ó ´´LT´´ etc. Este tipo de filtros no es nada mas que la combinación de condensadores electrolíticos y bobinas. Si se cambia a este tipo de filtros sé podrá disminuir el espacio, peso y costo a lo cual conlleva utilizar solo condensadores electrolíticos como filtros.
• En la etapa de control se pueden remplazar las resistencias por potenciómetros de ajuste, con esto lograr una mayor exactitud al elegir la frecuencia máximas y mínimas del variador. En caso de que se desee aplicar mayores características de control como por ejemplo un panel de visualización, invertir la marcha, un dispositivo de freno en caso de emergencia, etc.
Se debe de tener en consideración si vale la pena de seguir utilizando esta etapa de control o simplemente remplazarla por un dispositivo más dinámico, que ocupe menos espacio, y que sea más
económico que utilizar cada una de estas parte por separado, ósea que un solo dispositivo gobierne toda estas funciones, entre los cuales se puede utilizar un perfectamente microcontrolador.
Lo descrito anteriormente no quiere decir que la combinación de los dispositivos utilizados sea poco conveniente, pero esta etapa de control es básica al igual que la secuencia que genera por esta razón me pareció poco rentable utilizar un microcontrolador ya que este dispositivo tiene un mayor costo que la sumatoria de los dispositivos utilizados en el circuito y en el caso de haberse utilizado, el variador dependería de circuitos externos para su armado y reparación.
El precio del variador dependerá de la potencia que se desee en las salidas, esto quiere decir, que si desea controlar una gran potencia, la fuente de alimentación trifásica, en especial los diodos deben de estar en un equilibrio con la potencia que se desea en la salida, al igual que la selección de los IGBT, si la utilización de IGBT no es conveniente producto del costo de estos o la corriente que soportan es demasiado grande en comparación a la
fuente de poder y no se dispone de dispositivos mas pequeños en el mercado, se debe de buscar un remplazó teniendo en cuenta que el sobredimensionar estos dispositivo nos lleva a un mayor costo del equipo, una solución en caso de no disponer de IGBT, estos se pueden remplazar perfectamente por MOSFET.

Bibliografía y Referencias
• Data sheet UF4007
• Data sheet FR607
• Data sheet IRG4PC50F
• Data sheet SN74198
• Data sheet IR2130
• Data sheet LM 555
• Documento INT985 (INTERNATIONAL RECTIFIER)
• Documento DT98-2a selección componentes bootstrap para el IC. De control
• Tesis del Sr. Jorge Fernando Lagos Núñez