iseño de filtro activo trifásico controlado con DSPDSPDSPDSP

EXPERIENCIA DE UN PFC PARA LAS JCEE 2009

PROYECTISTA: JAUME GARCÍA DÍAZ

TUTOR: JOSEP BALCELLS i SENDRA

D

22

ÍÍÍÍ ndice

1. Introducción2. Filtro activo implementado3. Simulación4. Software5. Hardware6. Resultados7. Conclusiones

33

1. Introducción• Justificación• Alcance• Introducción a los filtros

○ Filtros activos y pasivos○ Filtros activos convencionales

• Estudio de mercado○ Parámetros y conceptos comunes○ Fabricantes y modelos

2. Filtro activo implementado

3. Simulación4. Software

5. Hardware

6. Resultados7. Conclusiones

ÍÍÍÍ ndice

44

• Se conectan a la red:• Rectificadores• Fuentes conmutadas• Sistemas electrónicos de conmutación

• Se produce una distorsión de la onda de corriente que circula por la línea• Pérdidas en los sistemas de distribución. • Mayor coste y posibles penalizaciones• Malfuncionamiento de aparatos y protecciones

eléctricas

IIII ntroducción

Justificación

55

• Estudio y diseño de una tipología de filtro activo trifásico• Limpia la red de corrientes armónicas

• El proyecto realizado consta de 3 partes:• Simulación con Matlab/Simulink

○ De todos los algoritmos de control○ Algoritmos basados en “papers” internacionales

• Implementación software en DSP F2812 de TI○ Obtención de consignas de corriente○ Cálculo de Duty cycles para control PWM○ Comparación con la simulación

• Diseño hardware (Prototipo)○ Esquemáticos y pruebas de la placa de control○ Asistencia en montaje

IIII ntroducción

Alcance

66

• Filtros pasivos:• Montaje hardware (elementos pasivos)

○ Sintonizado a una frecuencia tal que obstaculice o absorba la circulación de armónicos

• Problema: no filtran frecuencias de orden diferente a la de resonancia del montaje eléctrico

• Filtros activos:• Un inversor de tensión (monofásico o trifásico)• Unas inductancias de acoplo a la red

○ Hacen del inversor una fuente de corriente

• Ventaja: permite compensar armónicos de diferentes frecuencias

IIII ntroducción

Introducción a los filtros: filtros activos y pasivos

77

• Inconvenientes:• VDC

○ 750V ○ Componentes caros

• VL disponible =varialble○ Según instante de la

onda de tensión de red

• VDC1 ≠ VDC2

○ Uso de 4ª rama para igualar.

IIII ntroducción

Introducción a los filtros: filtros activos convencionales

88

• Factor de atenuación de armónicos• Objetivo principal del filtro• Proporción de los que se ven en la red respecto de los que

consume la carga. (10 veces o 10%)

• Número de armónicos que puede filtrar• Este nº es un reflejo de:

○ La frecuencia de conmutación○ Del tiempo de respuesta del filtro ○ De las inductancias de acoplo○ De la velocidad de procesamiento de la CPU

• Valores típicos entre el 20º y el 50º armónico• Configurable � Compensación selectiva

IIII ntroducción

Estudio de mercado: parámetros y conceptos comunes

99

• Potencia distorsionante que puede dar• Normalmente se indica en corriente máxima que puede

compensar• Depende principalmente de la tensión de la red y de los

puentes de conmutadores • Van desde los 30A a 230V hasta los 225A a 400V por

módulo. (Hasta 8 módulos en varios armarios)

• Compensación de potencia reactiva:• Mayor exactitud y configuración que los equipos pasivos• Parámetro (cos(fi)) programable (típico entre 0.7

capacitivo y 0.7 inductivo).

IIII ntroducción

Estudio de mercado: parámetros y conceptos comunes

1010

• Tipología � ( con neutro, sin neutro o configurables)

• Control analógico o digital � (Normalmente con DSP)

• Display y teclado � (THD’s, FFT’s, formas de onda, históricos de sucesos, alarmas, configuraciones, etc. )

• Conexión con PC

• Los precios dependen principalmente de:• Corriente armónica máxima que son capaces de

ofrecer• Número de filtros que se compran en un sólo pedido.

• Entre 150 y 250 euros el amperio

IIII ntroducción

Estudio de mercado: parámetros y conceptos comunes

1111

• ABB, Ablerex, Jessler, COMSYS, Nokian, Rudolf, Schn eider, Merlin Guerin, Staco Energy, APT AIM Energy, MR y Circutor

Estructuraconvencional

Estructura híbrida

IIII ntroducción

Estudio de mercado: fabricantes y modelos

1212

Conexión con PC Displays y teclados

IIII ntroducción

Estudio de mercado: fabricantes y modelos

1313

ÍÍÍÍ ndice

1. Introducción

2. Filtro activo implementado• Estructura propuesta• Obtención de consignas de corriente

3. Software4. Hardware5. Simulación6. Resultados7. Conclusiones

1414

FFFF iltro activo implementado

Estructura propuesta

FILTRO HÍBRIDO TRIFÁSICO DE 4 HILOSFILTRO HÍBRIDO TRIFÁSICO DE 4 HILOS

1515

• Control individual de cada rama • Como si de tres filtros monofásicos se tratara

• Baja el coste del producto al poder trabajar con tens iones menores • Componentes de menor tamaño

• No necesita cuarta rama de IGBT’s• Ahorro económico

• Desventajas: • Mayor complejidad de control • Necesidad de mayor capacidad de cálculo

FFFF iltro activo implementado

Estructura propuesta: Caracterísitcas principales

1616

FFFF iltro activo implementado

Estructura propuesta

• Mejoras• VDC

• VL disponible =constante

• Un solo condensador de bus de continua

• Componentes más pequeños

1717

• ¿Como se consiguen las mejoras?• Acoplo del APF mediante LC serie en vez de solo L

○ Esto permite aislarnos de tensión de red añadiendo una consigna de corriente:

VL disponible =constante

• Único C en el bus de contínua:○ Se añade la corriente necesaria para que:

(de valor medio)

Tensión para conseguir bipolaridad

VVCCCC= V= VDCDC /2/2

FFFF iltro activo implementado

Estructura propuesta

1818

• El voltaje en la L será:• +VDC/2 cuando T2 está en ON • -VDC/2 cuando T1 está en ON

Consigna de armónicosConsigna de armónicosFrecuencia

fundamental

+Frecuencias armónicas

Frecuencias armónicas

Frecuencia fundamental

FFFF iltro activo implementado

Estructura propuesta

1919

FFFF iltro activo implementado

Obtención de consignas de corriente: Sumatorio de consignas

2020

FFFF iltro activo implementado

Obtención de consignas de corriente: Sumatorio de consignas

2121

ÍÍÍÍ ndice

1. Introducción2. Filtro activo implementado

3. Simulación• Implementación en Matlab• Obtención de Consignas de corriente• Modulación del puente de IGBT’s

4. Software5. Hardware6. Resultados7. Conclusiones

2222

Implementación en MATLAB

2323

• Cargas � 3 rectificadores monofásicos conectados entre fase y neutro• Forman un sistema desequilibrado

• Tensión de red =230VRMS

• Elección intuitiva de elementos pasivos• Lserie = 800µH• Cserie = 720µF• Cbus = 20mF • Vbus = 500 V

• Inductancia y capacidad del LC serie: • Sintonizados con frecuencia de resonancia entre el tercer y quinto

armónico

SSSS imulación

Implementación en MATLAB : Configuración

2424

Anulación de Vred

Bus de contínua

Tensión media en Vcc

Armónicos

Por seno unitario

SSSS imulación

Obtención de consignas de corriente

2525

• Una vez tenemos la consigna de corriente total para cada fase:• Cálculo del Duty Cycle de cada uno de los

interruptores superiores:

• L = valor de la inductancia del LC de acoplo• Vpcc = Tensión en el punto de acoplo común• Vdc = Tensión en el bus de continua• Vcc = Tensión en el condensador de acoplo• Fsample = frecuencia del conmutación del sistema • ∆I = Iconsigna – Ireal

dt

diLvL

⋅=dc

PCCccc

V

VVfILD

++⋅∆⋅=

SSSS imulación

Modulación del puente de IGBT’S

2626

dc

PCCccc

V

VVfILD

++⋅∆⋅=

SSSS imulación

Modulación del puente de IGBT’S

2727

ÍÍÍÍ ndice

1. Introducción2. Filtro activo implementado3. Simulación

4. Software• Digitalización de la simulación• Comparación con la simulación• Consigna de armónicos• Consigna Total• Implementación PLL• Entorno de programación

5. Hardware6. Resultados7. Conclusiones

2828

• Digitalización de los PID:• fdt en transformada Z con la que se obtiene el PI d igital:

• Digitalización de los filtros:• Instrucción de Matlab:

○ [NUMd,DENd] = c2dm([NUMc], [ DENc],Tm,’zoh’)

1

**)(

−−+=

z

PTmIzPzC

SSSS oftware

Digitalización de la Simulación

2929

• Para implementar en C las fdt discretas, se pasan a ecuaciones en diferencias, obteniendo así los coeficientes del “filtro” digita l

SSSS oftware

Digitalización de la Simulación

3030

Entradas Conocidas

Comparaciónde salidas

SSSS oftware

Comparación con la simulación: Obtenciçon de consignas en el DSP

3131

Consigna de anulación de tensión de red

Consigna del condensador del bus de continua

SSSS oftware

Comparación con la simulación

3232

Consigna de tensión media de los condensadores seri e

SSSS oftware

Comparación con la simulación

3333

2

2

2*)

2

1*1(*

2^

22222222

====+=

I

IIIVuQuPuSu

RMSRMSRMSRMS

• Se obtienen las potencias activas y reactivas unita rias (amplitud de tensión igual a uno) :

• Vu = tensión unitaria de red puntero de la PLL

• Desfase respecto la tensión fundamental :

• Cálculo de la amplitud:

( )N

IVuPu

N

∑= 0* ( )

N

IVuQu

N

∑= 0

2/ ** πλ

Qu

Puarctan=ϕ

( )222^

*4 QuPuI +=

SSSS oftware

Consigna de armónicos

3434

• El resultado es exactamente el mismo que el de la simulación.

SSSS oftware

Consigna de armónicos

3535

Consigna de armónicos

3636

SSSS oftware

Consigna Total

3737

SSSS oftware

Implementación de la PLL• Teoría e implementación:

• Si se multiplican dos señales senoidales, adelantad a una respecto de la otra 90º, el resultado es una onda de valor medi o cero.

• Para obtener el valor medio ���� filtro digital pasobajo ○ Salida del filtro ���� Error que se pasa por un PI para hacerlo nulo.

• Salida del PI ���� “velocidad” de oscilación de la señal generada○ Es decir, cuánto hay que aumentar el puntero en la siguiente ejecución

del código ○ De esta señal generada se extrae el puntero de sincron ización

3838

• Comprobación del buen funcionamiento (55Hz):

SSSS oftware

Implementación de la PLL

3939

Gráficas y tablas en tiempo real

Uso de librerías

Cambios en “modo run”

Rápida sintonización

del control

Análisis frecuencial

IQmath

FFT

SSSS oftware

Entorno de Programación• Code Composer Studio (CCS)

4040

ÍÍÍÍ ndice

1. Introducción2. Filtro activo implementado3. Simulación4. Software

5. Hardware• Introducción y esquemas generales• Procesador • Alimentación placa de control• Ejemplos de esquemáticos• Fotografía Placa de Control• Elementos externos a la placa de control• Montaje completo en armario

6. Resultados7. Conclusiones

4141

Introducción al hardware

• Se ha diseñado conjuntamente con la empresa Circutor

• Consta de un prototipo montado en armario industrial• Objetivo: Validar el diseño hardware, software y los

correspondientes algoritmos de control.

• Criterios de diseño:• Equipo económico• Bajo consumo• Reducido tamaño• Compatibilidad electromagnética

HHHH ardware

4242

RED CARGA

PLACA DE CONTROL

PUENTE DE IGBT’s

Condensadores serie

Bus de continua

Interfaz humana

Contactor y resistencias de precarga

Esquema general

HHHH ardware

4343

Adecuación de señales

DSP

I/O DIGITALES

RTC

EEPROMRelé de

contactor

Comunicaciones

Esquemas generales: Placa de Control

HHHH ardware

4444

• DSP � Centro neurálgigo del equipo (CPU)

• Adecuación de señales � transforma todas las medidas eléctricas en una tensión del rango del ADC del DSP.

• I/O digitales ���� interfície entre DSP y puente de IGBT’s

• Comunicaciones ���� interfaz humana (Display, PC)

• Relé de contactor ���� conecta las resistencias de precarga del bus de continua

• EEPROM ���� permite en proceso de fabricación configurar parámetros y la calibración del filtro.

• RTC (Real Time Clock) � control exacto del tiempo

Esquemas generales: Placa de Control

HHHH ardware

4545

• Reloj a 150 Mhz (6.67ns )

• Memoria

• ADC ���� 16 canales de 12 bits ���� hasta 12.5 MSPS

• 45 interrupciones de periféricos internos y 3 externas.

• 7 Timers y 56 pines I/O (GPIO) de propósito general.

• Comunicaciónes: SPI, SCI (UART), eCAN, McBSP.

• Real-Time Debug via Hardware (JTAG)

• Preparado paraFiltrado digital de señales � FIR, IIR, FFTCálculos matemáticos complejosMultitarea � 8 instrucciones a la vez

128K x 16 de memoria Flash interna de programa.18K x 16 de memoria RAM de datos, dividida en varios bloques

Procesador: DSP 2812 de TEXAS INSTRUMENTS

HHHH ardware

4646

Convertidor DC-DC (1)

Regulador de tensión (2)

Tensión de red

Fuente de continua

Convertidor DC-DC (2)

220Vac

24Vdc

±15Vdc

Convertidor DC-DC (3)

1.8Vdc 3.3Vdc

5Vdc

5Vdc 5Vdc

DSP -DSP-Acondicona miento señales-Boot-Salidas IGBT’s (optos)-Comunicaciones-EEPROM-RTC-Relé contactor

-JTAG -Comunicaciones

-Trafos hall

Reguladores de tensión (1)

15Vdc

-Salidas IGBT’s (optos)-Opam’s de sensores de temperatura

Alimentación Placa de Control

HHHH ardware

4747

Ejemplos Esquemáticos

C10722PF

SCIRXDB

SCICTSB

TP111

R2012K2

ADCINA1

ADCINB5

PWM3_BOT

E_ERROR 1

INT_RTCLK

ADCINA3

PWM1_TOP

SCITXDB

C28_EMU1

SCIRTSA

ADCINA0

SCL

C28_TDO

PWM3_TOP

RES_RTCLK

FLAS

H -

3.3V

VDD I/0

-3.

3V

VDD

CORE -

1.8V

1.8

V

ADC

U2TMS320F2812GHHA

A3D4C4B4A4E5D5B5C2C3B1C1D3D2D1F5

E2E4F2E3E1B3E6

M12M14L12L13K11K14J11J13H10H11H12F14F13E13E11F10

N2P2N3P3L4M4K5N5M5M6P6L8K8N6L6K7

H14G10P10P11

D9D8E8

F4

A5

F3

C5

A6

C6

B2

A2

G4

K1

L2 P4

K6

P8

M1

0L1

1K

13J1

4G

13E

14

D10

B14

C10

G3H3H5J3K3J5L3L5P7M8L9N9L14J10B11A9

P1P13B13N11M3N4B6F1E7K10D6

K9M9F11

A13M7N7

B12A12D13C13D12D11C9

M1N1K2K4

J1H2H4J2G1G2

C7A7

P14M13

N12N13

A11

G5

M2

N1

0M

11

J12

H1

3G

14

F12

E12

D1

4C

12

A14

C1

1E

10A

10B

9A

8B

7D

7

H1

L1 P5

P9

P12

K12

G1

2C

14

B10

J4 L7 L10

N1

4G

11

N8

E9

C8

B8

ADCINA0ADCINA1ADCINA2ADCINA3ADCINA4ADCINA5ADCINA6ADCINA7ADCINB0ADCINB1ADCINB2ADCINB3ADCINB4ADCINB5ADCINB6ADCINB7

ADCREFPADCREFMADCRESEXTAVSSREFBGAVDDREFBGADCLOADCBGREFIN

GPIOA0-PWM1GPIOA1-PWM2GPIOA2-PWM3GPIOA3-PWM4GPIOA4-PWM5GPIOA5-PWM6GPIOA6-T1PWM-T1CMPGPIOA7-T2PWM-T2CMPGPIOA8-CAP1-QEP1GPIOA9-CAP2-QEP2GPIOA10-CAP3-QEPI1GPIOA11-TDIRAGPIOA12-TCLKINAGPIOA13-C1TRIPnGPIOA14-C2TRIPnGPIOA15-C3TRIPn

GPIOB0-PWM7GPIOB1-PWM8GPIOB2-PWM9GPIOB3-PWM10GPIOB4-PWM11GPIOB5-PWM12GPIOB6-T3PWM-T3CMPGPIOB7-T4PWM-T4CMPGPIOB8-CAP4-QEP3GPIOB9-CAP5-QEP4GPIOB10-CAP6-QEPI2GPIOB11-TDIRBGPIOB12-TCLKINBGPIOB13-C4TRIPnGPIOB14-C5TRIPnGPIOB15-C6TRIPn

GPIOD0-T1CTRIP_PDPINTAnGPIOD1-T2CTRIPn_EVASOCnGPIOD5-T3CTRIP_PDPINTBnGPIOD6-T4CTRIPn_EVBSOCn

GPIOE0-XINT1_XBIOnGPIOE1-XINT2_ADCSOCGPIOE2-XNM_XIN13 V

DD

A1

VD

DA

2V

SS

A1

VS

SA

2

VD

D1

VS

S1

VD

DA

I0V

SS

AI0

VS

S2

VS

S3

VS

S4

VS

S5

VS

S6

VS

S7

VS

S8

VS

S9

VS

S10

VS

S11

VS

S12

VS

S13

VS

S15

VS

S14

VS

S16

XD0XD1XD2XD3XD4XD5XD6XD7XD8XD9

XD10XD11XD12XD13XD14XD15

XZCS0AND1nXZCS2n

XZCS6AND7nXWEnXRDnXRnW

XREADYXMP/MCnXHOLDn

XHOLDAnXRSn

X1/XCLKINX2

XCLKOUT

TESTSELTEST1TEST2

TRSTnTCKTMSTDI

TDOEMU0EMU1

GPIOF0-SPISIMOAGPIOF1-SPISOMIA

GPIOF2-SPICLKAGPIOF3-SPISTEA

GPIOF8-MCLKXAGPIOF9-MCLKRAGPIOF10-MFSXAGPIOF11-MFSRA

GPIOF12-MDXAGPIOF13-MDRA

GPIOF4-SCITXDAGPIOF5-SCIRXDA

GPIOG4-SCITXDBGPIOG5-SCIRXDB

GPIOF6-CANTXAGPIOF7-CANRXA

GPIOF14-XF-XPLLDISn

XA

0X

A1

XA

2X

A3

XA

4X

A5

XA

6X

A7

XA

8X

A9

XA

10

XA

11

XA

12

XA

13

XA

14

XA

15

XA

16

XA

17

XA

18

VD

D2

VD

D3

VD

D4

VD

D5

VD

D6

VD

D7

VD

D8

VD

D9

VD

D1

0

VD

DIO

1V

DD

IO2

VD

DIO

3V

DD

IO4

VD

DIO

5

VD

D3

VF

L

VD

DIO

6

VD

D1

1

VS

S17

ADCINA5

SCIRXDA

ADCINB6

SPISTEA

CONTACTOR

XF_XPLLDISn

TP9 1

C28_TDI

R1310R

PWM2_BOT

ADCINB2

XMP_MCn

C10622PF

SDA

C10410uF

MDXA

C103100nF

PWM2_TOP

ADCINB1

RESET

R13220K

ADCINB7

SPICLKA

ADCINA6

SCITXDA

ADCINB4

C28_EMU0

3.3V

E_ERROR 3

C28_TMS

PWM1_BOT

ADCINB0

1.8V

ADCINA4

VDDA1

XT125MHz

SCIRTSB

E_ERROR 2

C28_TCK

C10222uF/10V

C10510uF

ADCINA7

C28_TRSTn

ADCINA2

ADCINB3

ERR_NTC

TP8 1

R88

20K-1%

IC5ALMV774

3

21

411

RGND

R8630R-1%

R84

20K

3.3V_AMP

R87

20K-1%

R81

20K

PWM1_BOT

IC16HCPL2212

5678

32

GNDVO11

VCC

CA-AN+

GDRV

VDRV1L8MLB201209

R13510K

GDRV

R136330R

3.3V

C115100nF

D22LS4148

3.3V

K1RELE12V

34

512R198

330R

A

K E

CIC25

KP1010

1

2 3

4

GND_DRV

VDRV1

R19910K

CONTACTOR

RV1275V

GDRV

J18

J2

12

Adquisición de 13 canales

Salidas digitales

Alimentación

PWM

DSP

SDA

RES_

RTCL

K

3.3V

R196

2K2

A1 BAT

12

IC27

PCF8

593T

1 2 3 4

8 7 6 5

OSCI

OSCO

RES

GND

VCC

INT

SCL

SDA

XT2

3276

8Hz

14

R200

3K3

SCL

R197

2K2

I2C

SDA

VBAT

3.3V

VBAT

D23

LS41

48

3.3V

SCL

IC26

24LC

256

1234

8765

A0A1A2GND

VCC

WC

SCL

SDA

3.3V

3.3V

INT_

RTCL

K

Comunicaciones I2C

4848

Fotografía Placa de Control

HHHH ardware

4949

Elementos externos a la Placa de Control

Transformador corriente

Fuente alimentación

FiltroEMI

Bobinas

DriverIGBT

IGBT

5050

Montaje completo en armario

HHHH ardware

5151

ÍÍÍÍ ndice

1. Introducción2. Filtro activo implementado3. Simulación4. Software5. Hardware

6. Resultados• Resultados de la Simulación• Resultados del prototipo

7. Conclusiones

5252

0.25 0.26 0.27 0.28 0.29 0.3 0.31 0.32 0.33 0.34 0.35

-80

-60

-40

-20

0

20

40

60

80

time(s)

Cur

rent

(A)

Resultados de la Simulación

RRRR esultados

5353

Atenuación de más del

90%

A 10KHz se observa el rizado que provoca la

conmutación

Resultados de la Simulación: FFT de las corrientes

RRRR esultados

5454

• Bus de continua:

• Condensadores de acoplo

Resultados de la Simulación: Estabilidad de la tensión en los condensadores

RRRR esultados

5555

ÍÍÍÍ ndice

1. Introducción2. Filtro activo implementado3. Simulación4. Software5. Hardware6. Resultados

7. Conclusiones

5656

CCCC onclusiones

• La configuración del filtro híbrido permite compens ar armónicos en sistemas de cuatro hilos• Los resultados son satisfactorios

• El módulo LC de acoplo permite prescindir de la cua rta rama que precisan los APF convencionales.

• Esta solución permite manipular cada una de las fas es de forma independiente ���� Mayor controlabilidad.

• Implementación software:• Dificultad matemática a la hora de implementar los al goritmos

○ En Matlab no te has de preocupar (normalmente) ni d e resoluciones, ni de escalados de variables, ni de acumulación de err ores, ni de velocidad de cálculo, etc.

○ En el DSP para muchos cálculos se ha tenido que usa r la libreríaIQmath ���� Simulación de cálculos en coma flotante.

5757

• Perfecto funcionamiento de la PLL del DSP en un rango amplio de frecuencias

• Diseño del Hardware• Buena elección del procesador

• Típicos problemas

• Se han cumplido los objetivos del proyecto (Simulac ión, Software, Hardware)• También se ha realizado un manual del CCS y del DSP

• Posibles trabajos futuros sobre el prototipo:• Validar los algoritmos de control con todo tipo de cargas• Hacer pruebas de linealidad, estabilidad y sobreesfuerzo• Probar diferentes valores de condensadores y bobinas

○ Intentar bajar la tensión del bus de contínua.

••Corrección de errores de diseñoCorrección de errores de diseño••Validación del hardwareValidación del hardware

CCCC onclusiones

5858

• Elección del PFC:• Interesante si tiene software (al menos C) y hardware• Lo que se haga tenga cierta salida profesional• Alcance acotado al tiempo que le queréis dedicar

• Metodologías y consejos• Lo más importante es tener una dedicación constante• Concretar inicialmente todas las especificaciones• Realizar una planificación y hacerle un seguimiento periódico• No dejar la memoria para el final � recompilar información y

redactar borradores durante el proyecto• Darle MUCHA importancia a la presentación final

○ Contenido○ Formato○ Forma de ser explicada

EEEE xperiencia PFC

5959

TTTT urno de preguntas