Operating Instructions – Perform Therapy
11.1 Initial Drain
El diseño de la fuente se basa en la disponibilidad de un sistema de alimentación trifásico como entrada de un convertidor AC/DC completo controlado o puente trifásico, formado por un arreglo de seis tiristores de control de fase, los cuales facilitan la variación del voltaje DC a la salida del convertidor. En la siguiente etapa esta fuente DC suministra la potencia entre electrodos (cátodo: material blanco y ánodo: pieza a recubrir) necesaria para la formación del arco eléctrico. Para la formación de arcos pulsados, se hace uso de un dispositivo de potencia denominado transistor bipolar de compuerta aislada (Insolate Gate Bipolar Transistor – IGBT) ubicado en un circuito serie con los electrodos de la cámara de proceso, este dispositivo cuenta con la posibilidad de establecer conmutación en el flujo de corriente a través de sus terminales, colector – emisor, mediante de una señal de control que llega a su terminal de compuerta y sobre la cual se aplican los parámetros de conmutación requeridos en la corriente de colector, representada en este caso también como corriente de arco (figura 6).
Figura 6. Esquema general del sistema implementado en la fuente de arcos pulsados repetitivos
Es importante tener en cuenta que la señal de compuerta del IGBT debe estar sincronizada con la señal de disparo de trigger para que se logre formar el arco en el momento adecuado según los requerimientos de tiempo establecidos para la secuencia de pulsos. Las señales de control tienen lugar gracias a las facilidades que ofrece el lenguaje de programación LabVIEW y la versatilidad de un sistema de adquisición de datos que adapta estas señales al hardware de control.
2.3.1 Conversión ac/dc
El comúnmente denominado rectificador es un circuito que convierte una señal de corriente alterna en una señal de corriente directa, estos circuitos pueden ser monofásicos o trifásicos dependiendo del sistema de alimentación utilizado. Generalmente están formados por dispositivos de potencia denominados diodos, con los cuales se logra un voltaje de salida fijo, sin embargo es posible también acceder a un voltaje de salida dc controlado haciendo uso de dispositivos denominados tiristores de control de fase en lugar de los diodos convencionales. El tiristor opera como conmutador biestable, pasando de un estado no conductor a un estado conductor, se activa aplicándole un corto pulso a su terminal de compuerta y se desactiva debido a la conmutación natural o de línea. Dado que estos rectificadores controlados convierten ac en dc, se conocen también como convertidores ac/dc, y son ampliamente utilizados en aplicaciones industriales [26].
En este trabajo se ha implementado un convertidor ac/dc trifásico completo controlado como se observa en la figura 6. El par de tiristores conectados entre el par de líneas de alimentación que tengan la diferencia de potencial instantáneo más alto de línea a línea son los que conducen, sin embargo, los tiristores solo entran en estado de conducción cuando además de establecerse la condición anterior, son disparados a través de una señal de control que llega a su terminal de
compuerta, en cuyo caso el nivel de voltaje a la salida del rectificador se hace función del retraso o ángulo de disparo de los tiristores.
Figura 7. Secuencia de disparo para los tiristores en un convertidor trifásico completo controlado
Este convertidor genera componentes ondulatorias de seis pulsos en el voltaje de salida (figura 7), teniendo en cuenta la numeración asignada en la figura 6 la secuencia de conducción para los tiristores es 1-6, 6-2, 2-4, 4-3, 3-5, y 5-1. Cada uno de ellos conduce durante 120°.
Si los voltajes línea a línea se definen mediante las siguientes expresiones:
+ = − = 6 3V sen ωt π v v vab an bn m (7)
− = − = 2 3V sen ωt π v v vbc bn cn m (8) + = − = 2 3V sen ωt π v v vca cn an m (9)
El voltaje promedio de salida se determina a partir de:
∫
∫
++ + + + = = π α α π α π α π ω π ω π ω π 62 62 3 6 ( ) 3 ) ( 3 t d t sen V t d v Vcd ab m (10) α π cos 3 3 m cd V V = (11)Esta última expresión (ec. 11) representa así la dependencia del voltaje promedio a la salida del puente rectificador con el ángulo de disparo de los tiristores [27].
Con el fin de obtener una señal de disparo adecuada en el ángulo de retraso α requerido, se ha implementado un sistema de detección de cruce por el cero donde cada voltaje línea a neutro es llevado a través de un transformador reductor hasta un circuito modulador de ancho de pulso (PWM). Con este circuito se consigue transformar el semiciclo positivo de la sinusoide de entrada en una señal diente de sierra, de tal forma que la comparación de esta última con un voltaje de referencia (Vref) genere una forma de onda rectangular cuyo flanco de subida se desplaza a partir del cruce por cero un ángulo α a medida que la señal de referencia varía desde 0 V hasta la amplitud máxima de la señal diente de cierre (-10 V),ver figura 8, esta amplitud tiene lugar 180° (8.3 ms) más adelante a partir del cruce por cero inicial [27]. Bajo estas condiciones el ángulo de retraso, ahora representado con el flanco de subida de la señal rectangular, debe ser expresado en función del voltaje
de referencia requerido, como se puede observar en la figura 8 esta expresión no es más que la ecuación utilizada para describir la diagonal en la forma de onda triangular:
Figura 8. Formación de la señal de control para tiristor
x m y= × (12) ) V/ms)( 2 . 1 ( x y= − (13)
Definiendo x como el ángulo de disparo α y y como el voltaje de referencia correspondiente, se parte de la ecuación (13) para expresar el voltaje promedio a la salida del puente rectificador en función del voltaje de referencia. De (11) se tiene:
rad V arcos( cd(3.56*10 )) 3 − = α (14) V V ar Vref =−3.168( cos( cd(3.56*10−3))) (15)
Esta expresión es evaluada a partir del voltaje promedio de salida ingresado por el usuario haciendo uso de las herramientas que proporciona el lenguaje de programación LabVIEW, se genera luego la salida de un voltaje análogo a través del sistema de adquisición de datos, este voltaje ingresa al hardware de control ocmo voltaje de referencia para manejo del ángulo de disparo. Una vez formada la señal de disparo, esta es llevada hasta el terminal de compuerta de los tiristores a través de trasformadores de impulsos los cuales proporcionan el aislamiento adecuado entre la etapa de control y la etapa de potencia [28]. En la figura 9 se observa la forma de onda del voltaje de salida del puente rectificador implementado utilizando un ángulo de disparo de α = 0° y α = 45°.
2.3.2 Conmutación DC
La salida DC del puente rectificador está ahora disponible para ser usada como fuente de alimentación en la formación del arco eléctrico. Para la conmutación de este suministro DC a través un par de electrodos dentro de la cámara de proceso se ha usado el transistor bipolar de compuerta aislada (Insulated Gate Bipolar Transistor – IGBT) como elemento de potencia, este dispositivo tiene la facilidad de conmutar corrientes muy fuertes con un mínimo de pérdidas y a una velocidad razonable. El IGBT cuenta básicamente con tres terminales, colector (C), emisor (E) y compuerta o gate (G), dependiendo de su polaridad existen IGBTs NPN y PNP, en esta aplicación particular se ha utilizado un dispositivo tipo NPN. Cuando es aplicado un voltaje de compuerta VGE = -7 V, circula una corriente de fuga (ICES)
muy débil entre colector y emisor y el IGBT está esencialmente bloqueado. Si el voltaje positivo de compuerta aumenta llegando a un punto en el cual se supera un valor umbral (VGE(th)), el dispositivo entra en conducción, permitiendo la
circulación de la corriente de colector (IC) [28]. Como se observa en la figura 2 la
corriente de colector del IGBT corresponde a la corriente de arco que circula a través de los electrodos, por lo tanto la conmutación controlada de la corriente de colector a través de la señal de compuerta permite la conmutación del arco con parámetros establecidos por el usuario.
La señal de compuerta del IGBT es un tren de pulsos que se genera a partir de las herramientas de programación en LabVIEW, siendo posible la modificación de parámetros tales como número de pulsos, tiempo de pulso sostenido y tiempo inactivo entre pulso y pulso, de acuerdo a valores ingresados por el usuario a través de la interfaz gráfica de usuario. El tren de pulsos se hace disponible gracias a la salida digital del sistema de adquisición de datos. Sin embargo, considerando que las señales de control utilizadas en el manejo de dispositivos de potencia deben contar con algunas características particulares, es necesario contar con el hardware auxiliar que permita el acoplamiento adecuado de la señal desde la salida del
sistema de adquisición de datos hasta el terminal de compuerta del IGBT. Este módulo de control provee una señal con especificaciones de corriente adecuadas para la compuerta del IGBT. Si estas señales no tienen suficiente potencia, el IGBT no conmutará apropiadamente, y pueden ocurrir pérdidas adicionales o incluso la destrucción del IGBT. Este módulo cuenta además con un circuito que monitorea el voltaje colector-emisor VCE, de tal forma que si es detectado ya sea un corto
circuito o mal funcionamiento de VS (Alimentación del módulo), una memoria de
error bloquea la transmisión de todas las señales de encendido para el IGBT y genera una señal de alarma.
En esta aplicación son conectados 3 IGBT’s en paralelo para alcanzar un manejo de corriente de 300 A aproximadamente, en caso de que se requiera superar este valor pueden ser conectados dispositivos IGBT’s adicionales en paralelo.
2.3.3 Disparo de trigger
Una fuente de 15 V, 3 A se conecta a través del primario de un auto-transformador elevador generando en el secundario un pulso de aproximadamente 20 Kv, 5 mA, la chispa producida en el cátodo inicia la formación del arco al romper la rigidez dieléctrica del medio. Un transistor de media potencia es conectado en serie con el embobinado primario del auto-transformador elevador, de tal forma que una señal de control de 0V en la base del transistor mantiene al transistor bloqueado, cuando se aplica un nivel de 5 V a la base, el transistor entra en conducción y se genera la chispa en terminales del secundario (ubicados en el cátodo del sistema).
Finalmente, para lograr la formación del arco en el momento adecuado se debe sincronizar la señal de control para disparo de trigger con el flanco de subida de la señal de control para activación del IGBT. La sincronización vía software establece primero conducción en el IGBT y después la activación del trigger.
2.3.4 Configuración exterior de la fuente de arcos pulsados
En la figura 10 se observa la distribución exterior final de la fuente de arcos pulsado (Anexo 1). En el módulo lateral izquierdo ha sido ubicada la etapa de potencia cuya numeración en la figura corresponde a la siguiente descripción:
1. Breaker