Primer_Trabajo_Primer_semestre_2011_U_de_Chile.pdf

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  Trabajo Nr. 1 Electrónica de Potencia EL6009-1 EM722-1 DIE Universidad de Chile, Primer Semestre 2011 (Sugerencia: utilice interruptores ideales aunque se aceptan otras implementaciones que funcionen adecuadamente) Para el control de una máquina de corriente continua de excitación separada, se utiliza la siguiente topología basada en IGBTs: Rect
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  Trabajo Nr. 1 Electrónica de Potencia EL6009-1 EM722-1 DIE Universidad de Chile, Primer Semestre 2011 (Sugerencia: utilice interruptores ideales aunque se aceptan otras implementaciones que funcionen adecuadamente) Para el control de una máquina de corriente continua de excitación separada, se utiliza la siguiente topología basada en IGBTs: El sistema se alimenta desde la red trifásica de 380V, 50Hz. Los parámetros de la máquina son los siguientes: P=7kW R a =0.9   V=550V L a =120mH K T =2.5 Nm/A J=0.1Kgm 2  B=2x10 -3 Nm-s/rad. La inductancia L se conecta solo en la partida del sistema y se desconecta posteriormente. El condensador del enlace DC tiene una capacidad de 1200µF y se puede considerar que la tensión del enlace DC tiene ripple despreciable. No se recomienda operar la máquina considerando valores mayores a la nominal en la corriente de armadura. Considerando lo anterior se pide: Rectificador de seis pulsosCondensador delenlace dcFrenadodisipativoControlador de corriente de armaduraL  1) Diseñe un sistema de control que cumpla con los siguientes requisitos: a. Lazo interno operando a través de un controlador de histéresis, con una banda de aproximadamente 1A alrededor de la referencia. Ajuste si es necesario, pero considere que la frecuencia máxima de switching soportada por el dispositivo es de 10kHz. b. Lazo de velocidad. Controlador diseñado para una frecuencia natural de 7Hz, coeficiente de amortiguamiento de  =0.7, cero error en estado estacionario a entrada escalón es requerido. 2) Utilizando Matlab y Simulink, simule la operación del sistema de control considerando: a. El sistema está operando a 100rpm con una carga representada por una fricción viscosa de B  2 Nm-s/rad. Encuentre, por medio de simulación la frecuencia de switching de los IGBTs. b. Repita considerando que la máquina está operando a 1500rpm, pero en este caso con una fricción viscosa adicional a la de la máquina de B  0.157 Nm-s/rad en el eje. c. Se tiene la máquina sin carga, operando en estado estacionario a 1500rpm cuando la referencia de velocidad es cambiada bruscamente a -1500rpm. Encuentre a través de simulación la respuesta de velocidad y corriente de armadura de la máquina, considerando/sin considerar antiwinding-up en el lazo de velocidad. d.   Repita el punto c, pero aumentando la frecuencia natural del lazo de velocidad a 2.5 veces la utilizada anteriormente y conservando el mismo coeficiente de amortiguamiento. ¿Existe alguna diferencia al utilizar mayor frecuencia natural y comparar las respuesta obtenidas con/sin antiwinding-up?.   3) Un joven Ingeniero, con muchas ideas modernas decide que el sistema de control utilizado para esta máquina es simplemente anacrónico. Propone y logra que la gerencia acepte su idea de utilizar control digital y modulación con frecuencia de switching constante. Para esto se necesita: a. Implementar un sistema de generación de señales PWM considerando la comparación de una onda triangular de 3kHz con la señal obtenida a la salida del controlador. Implemente esto en Simulink. (cuidado con el paso máximo utilizado en la simulación). b. Diseñe en el plano „ s ‟  un controlador de corriente con una frecuencia natural de al menos 90Hz y coeficiente de amortiguamiento de 0.8. Rediseñe el lazo de control de velocidad para esta situación.  c. Discretice el controlador digital utilizando la transformada bilineal y una frecuencia de muestreo adecuada. Tome en cuenta que los tiempos de muestreo utilizado en el lazo de velocidad y corriente no debería ser iguales. Implemente un sistema de control considerado cada controlador digital como un muestreador en cascada con un “M file” donde se implementa el sistema de control y finalmente un retentor de orden cero antes de enviar la salida para ser sintetizada por el PWM o procesada por el lazo de corriente. d. Compare las corrientes de armadura obtenidas con el modulador PWM y las frecuencias de switching de los interruptores, considerando los resultados de 2b, 2c, para las mismas condiciones de operación. e. El sistema está operando a 1000rpm en estado estacionario, cuando la fricción viscosa en el eje se aumenta a B=0.2 Nm-s/rad. Un segundo después la inercia se aumenta en un 150%. Encuentre las respuesta de corriente y velocidad del sistema de control. ¿ Cuál es el tiempo de respuesta a las perturbación del lazo de velocidad, considerando un tiempo de establecimiento de un 2%? f. Encuentre el desempeño del sistema de control para un cambio desde 1500rpm a -1500rpm considerando sin considerar antiwinding-up en los controladores. Implemente además frenado disipativo en el sistema, cuando la tensión del dc link supera los 750V. Utilice una banda de histéresis de  6V. i. Sugerencia. Tiene dos formas de conocer la corriente de entrada del conversor. Primero , utilizando balance de potencia entre la salida y la entrada del conversor (considerando conversor sin pérdidas).  Segundo , usted conoce el estado de los cuatro interruptores y el sentido de la corriente de armadura, por lo tanto puede reconstruir la corriente de entrada del conversor.. 4) Cálculo de pérdidas. Para la implementación del puente de IGBTs, se utilizan dos piernas del módulo Semikron SK35GD 126ET. Con los datos de este dispositivo, encuentre las pérdidas medias de potencia por conmutación y conducción cuando: a) La máquina está funcionando en estado estacionario, a 1000rpm y corriente media de armadura de un 90% de la nominal. Utilice para el cálculo de las pérdidas la metodología que se encuentra en la sección III del artículo “Control of a Doubly fed Induction Generator via an  Indirect Matrix Converter with Changing DC voltaje”, IEEE Transactions on Industrial Electronics, early access paper. b) La máquina está operando a 1500rpm con la mitad del torque nominal.  RESULTADOS MÍNIMOS Es obligatorio responder los puntos 1 y 2 completos y también desde el punto 3a al 3e. El punto 3c puede ser realizado sin utilizar archivos “ M ” , pero obtendrá menor puntaje en la evaluación que al utilizar la implementación solicitada. Los puntos 3f y 4 tienen mayor dificultad. Pueden no entregarlos, pero evidentemente que aquellos que los realicen tendrán mayor puntaje. INFORME El informe debe considerar introducción y conclusiones. El nombre de las otras secciones es libre. El informe debe ser escrito a espacio y medio utilizando “font” Times Romans número 12 en el texto principal. Los títulos pueden ser de tres niveles, respetándose el siguiente formato: I. Diseño del Lazo de Corriente (Título de Primer nivel, centrado y en negritas). 1.1 Compensación en el lazo de realimentación (Título de Segundo nivel, letra Itálica,  justificado a la izquierda).  A. Obtención del ancho de Banda (Título de Tercer nivel, letra normal, justificado a la izquierda). Todas las figuras deben ser numeradas consecutivament e. Por ejemplo “Figura 1. Respuesta considerando antiwinding up”. Para figuras similares se puede utilizar Figura 1a, Figura 1b, etc. El nombre y número de la figura debe colocarse bajo ésta en formato time Romans 10. Todas las figuras deben ser discutidas en el texto. La figura debe ser mencionada en el texto, por primera vez, con anterioridad a su inserción. Tanto los ejes horizontales como verticales de todas las figuras deben tener una breve descripción del fenómeno mostrado así como las unidades de medida utilizadas. Por ejemplo: Voltaje en DC link (V), Velocidad (RPM), Corriente de Armadura (A), Tiempo (mS). En general para las unidades de medida se recomienda utilizar el formato IEEE que está disponible en internet.
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