24
Pontifícia Universidade Católica do Rio Grande do Sul Pontifícia Universidade Católica do Rio Grande do Sul Departamento de Engenharia Elétrica Departamento de Engenharia Elétrica Fernando Soares dos Reis Didactic Platform for Power Didactic Platform for Power Electronics Teaching Electronics Teaching

Pontifícia Universidade Católica do Rio Grande do Sul Departamento de Engenharia Elétrica Fernando Soares dos Reis Didactic Platform for Power Electronics

Embed Size (px)

Citation preview

Page 1: Pontifícia Universidade Católica do Rio Grande do Sul Departamento de Engenharia Elétrica Fernando Soares dos Reis Didactic Platform for Power Electronics

Pontifícia Universidade Católica do Rio Grande do SulPontifícia Universidade Católica do Rio Grande do SulDepartamento de Engenharia ElétricaDepartamento de Engenharia Elétrica

Fernando Soares dos Reis

Didactic Platform for Power Didactic Platform for Power Electronics TeachingElectronics Teaching

Page 2: Pontifícia Universidade Católica do Rio Grande do Sul Departamento de Engenharia Elétrica Fernando Soares dos Reis Didactic Platform for Power Electronics

Pontifícia Universidade Católica do Rio Grande do SulPontifícia Universidade Católica do Rio Grande do SulDepartamento de Engenharia ElétricaDepartamento de Engenharia Elétrica

Fernando Soares dos Reis

• ObjectivesObjectives• IntroductionIntroduction• The Implemented SystemThe Implemented System• Experimental ResultsExperimental Results• ConclusionsConclusions

PresentationPresentation TopicsTopics

Page 3: Pontifícia Universidade Católica do Rio Grande do Sul Departamento de Engenharia Elétrica Fernando Soares dos Reis Didactic Platform for Power Electronics

Pontifícia Universidade Católica do Rio Grande do SulPontifícia Universidade Católica do Rio Grande do SulDepartamento de Engenharia ElétricaDepartamento de Engenharia Elétrica

Fernando Soares dos Reis

ObjectiveObjective

• The main objective of this work is to introduce The main objective of this work is to introduce to the Power Electronics Community the results to the Power Electronics Community the results obtained with a successful experience in Power obtained with a successful experience in Power Electronics teaching at Pontifícia Universidade Electronics teaching at Pontifícia Universidade Católica do Rio Grande do Sul - PUCRS.Católica do Rio Grande do Sul - PUCRS.

Page 4: Pontifícia Universidade Católica do Rio Grande do Sul Departamento de Engenharia Elétrica Fernando Soares dos Reis Didactic Platform for Power Electronics

Pontifícia Universidade Católica do Rio Grande do SulPontifícia Universidade Católica do Rio Grande do SulDepartamento de Engenharia ElétricaDepartamento de Engenharia Elétrica

Fernando Soares dos Reis

IntroductionIntroduction

• To implement this platform creativity and low cost To implement this platform creativity and low cost components were used. A didactic platform that components were used. A didactic platform that studies inverters and its different modulation studies inverters and its different modulation techniques was obtained, with an extremely low techniques was obtained, with an extremely low cost releasing the use of sophisticated and cost releasing the use of sophisticated and expensive equipments in the assembly of our expensive equipments in the assembly of our laboratories.laboratories.

Page 5: Pontifícia Universidade Católica do Rio Grande do Sul Departamento de Engenharia Elétrica Fernando Soares dos Reis Didactic Platform for Power Electronics

Pontifícia Universidade Católica do Rio Grande do SulPontifícia Universidade Católica do Rio Grande do SulDepartamento de Engenharia ElétricaDepartamento de Engenharia Elétrica

Fernando Soares dos Reis

MotivationMotivation

High Cost of Commercial KITs;High Cost of Commercial KITs;

Integration Theory & Practice;Integration Theory & Practice;

To introduce the Students in Power Electronics To introduce the Students in Power Electronics Researches; Researches;

Page 6: Pontifícia Universidade Católica do Rio Grande do Sul Departamento de Engenharia Elétrica Fernando Soares dos Reis Didactic Platform for Power Electronics

Pontifícia Universidade Católica do Rio Grande do SulPontifícia Universidade Católica do Rio Grande do SulDepartamento de Engenharia ElétricaDepartamento de Engenharia Elétrica

Fernando Soares dos Reis

Studied Inverters Structures:Studied Inverters Structures:

Push-Pull Inverter;Push-Pull Inverter; Half-Bridge Inverter;Half-Bridge Inverter; Full-Bridge Inverter;Full-Bridge Inverter;

Page 7: Pontifícia Universidade Católica do Rio Grande do Sul Departamento de Engenharia Elétrica Fernando Soares dos Reis Didactic Platform for Power Electronics

Pontifícia Universidade Católica do Rio Grande do SulPontifícia Universidade Católica do Rio Grande do SulDepartamento de Engenharia ElétricaDepartamento de Engenharia Elétrica

Fernando Soares dos Reis

Modulation Techniques:Modulation Techniques:

PWM sinusoidal two levels;PWM sinusoidal two levels; PWM sinusoidal thee levels;PWM sinusoidal thee levels; PWM (chopper);PWM (chopper);

Page 8: Pontifícia Universidade Católica do Rio Grande do Sul Departamento de Engenharia Elétrica Fernando Soares dos Reis Didactic Platform for Power Electronics

Pontifícia Universidade Católica do Rio Grande do SulPontifícia Universidade Católica do Rio Grande do SulDepartamento de Engenharia ElétricaDepartamento de Engenharia Elétrica

Fernando Soares dos Reis

SINC.XTAL

3MHz

CI3:D

4081

12

1311

CI3:B

4081

5

64

CI1:B

4069

3 4

+15V

CI5:A

4027

6

3

5 1

2

7

4J

CLK

K Q

Q

S

R

C1

10nF

CI3:C

4081

8

910

GND

CI1:D

4069

98

CI1:E

4069

1110

CI1:C

4069

5 6

SINC.

R1

1k8

CI3:A

4081

1

23

CI:2

4020

10

119754613121415123

CLK

RSTQ1Q4Q5Q6Q7Q8Q9

Q10Q11Q12Q13Q14

R2

1k8

CI5:B

4027

10

13

11 15

14

9

12J

CLK

K Q

Q

S

R

CI1:A

4069

1 2

CI4:A

4071

1

23

66Hz

Oscillator (60 Hz)Oscillator (60 Hz)

Page 9: Pontifícia Universidade Católica do Rio Grande do Sul Departamento de Engenharia Elétrica Fernando Soares dos Reis Didactic Platform for Power Electronics

Pontifícia Universidade Católica do Rio Grande do SulPontifícia Universidade Católica do Rio Grande do SulDepartamento de Engenharia ElétricaDepartamento de Engenharia Elétrica

Fernando Soares dos Reis

Active Low Active Low Pass Filter Pass Filter

(Sallen-Key)(Sallen-Key)

R5

+

-

R4

R1

+Vo

R3

C2+Vi

R2

C1

Page 10: Pontifícia Universidade Católica do Rio Grande do Sul Departamento de Engenharia Elétrica Fernando Soares dos Reis Didactic Platform for Power Electronics

Pontifícia Universidade Católica do Rio Grande do SulPontifícia Universidade Católica do Rio Grande do SulDepartamento de Engenharia ElétricaDepartamento de Engenharia Elétrica

Fernando Soares dos Reis

Zero Detector Zero Detector

D2

1N4148

R4

3.3K

D1

1N4007

12

R3

100K

R5

15k

R1

5K6/5W

0

F1

1A

Q1BC6402

3

1

0

AC 127V

SINC.

0

C1

4,7nF

U1

TIL 111

16

2

5

4

R6

10k

+15V

R2

5K6/5W

0

Page 11: Pontifícia Universidade Católica do Rio Grande do Sul Departamento de Engenharia Elétrica Fernando Soares dos Reis Didactic Platform for Power Electronics

Pontifícia Universidade Católica do Rio Grande do SulPontifícia Universidade Católica do Rio Grande do SulDepartamento de Engenharia ElétricaDepartamento de Engenharia Elétrica

Fernando Soares dos Reis

Triangular Wave GeneratorTriangular Wave Generator

POT2 10k

0

R5

1k5 Triangular Wave

R3

10k

R8

10k

C6

100n

R2

180

+15V

0

R4

10k

+15V

R1

180

POT1 20k

D21

1N4100R6

10k

D22

1N4100

0

+

-

CI2

CA3140

3

26

7

541

R7

10k

-15V

C5

1,5n

-15V

CI1 LM566

1 2 3 45678

R9

10k

Page 12: Pontifícia Universidade Católica do Rio Grande do Sul Departamento de Engenharia Elétrica Fernando Soares dos Reis Didactic Platform for Power Electronics

Pontifícia Universidade Católica do Rio Grande do SulPontifícia Universidade Católica do Rio Grande do SulDepartamento de Engenharia ElétricaDepartamento de Engenharia Elétrica

Fernando Soares dos Reis

R16

5k6

R191k5

+15V

R11 10k

R15

10k

R13

10k

-15V

POT3 10k

1 3

2 Q2

+

- CI3:A

LM339

5

42

312

R14

10k

+15V

IN Triangular

IN Senoidal

+15V

+

-

CI3:D

LM339

11

1013

R2010k

CHB

B

D3

+15V

Q1

R171k5

0

A

+

-

CI4

CA31403

26

7

541

R12 10k

1 2

R12 10k

0

D4

R18

10k

CHA

0

Two and Three Levels Two and Three Levels

PWM ModulatorPWM Modulator

Sinusoid

Triangular

Inverter

Page 13: Pontifícia Universidade Católica do Rio Grande do Sul Departamento de Engenharia Elétrica Fernando Soares dos Reis Didactic Platform for Power Electronics

Pontifícia Universidade Católica do Rio Grande do SulPontifícia Universidade Católica do Rio Grande do SulDepartamento de Engenharia ElétricaDepartamento de Engenharia Elétrica

Fernando Soares dos Reis

Driver CircuitDriver Circuit

J5RCA JACK

1

2

X

D2UF4007

12

C60

100n

U7B

CD4093B

5

6

714

4

C20

470n

Y

C122p

C66

1n

U7C

CD4093B

8

9

714

10

X

J6RCA JACK

1

2

C40

470n

R3

1k

Y

J4RCA JACK

1

2

C4

22p

J3RCA JACK

1

2

U7D

CD4093B

13

12

714

11J2RCA JACK

1

2 D8

1N4148

DriverDead Time

U4

IR2110

14

7

3

4

5

6 9

10

11

13

12

1

2

8

.

HO

VCC

.

VS

VB VDD

HIN

SD

VSS

LIN

LO

COM

.

AR2

22k

R1

22k

U7A

CD4093B

1

2

714

3

IR 2110

Page 14: Pontifícia Universidade Católica do Rio Grande do Sul Departamento de Engenharia Elétrica Fernando Soares dos Reis Didactic Platform for Power Electronics

Pontifícia Universidade Católica do Rio Grande do SulPontifícia Universidade Católica do Rio Grande do SulDepartamento de Engenharia ElétricaDepartamento de Engenharia Elétrica

Fernando Soares dos Reis

X

U 7 B

C D 4 0 9 3 B

5

6

7

1 4

4

Y

C 12 2 p

C 6 6

1 n

U 7 C

C D 4 0 9 3 B

8

9

7

1 4

1 0

C 4

2 2 p

J 3R C A J A C K

1

2

U 7 D

C D 4 0 9 3 B

1 3

1 2

7

1 4

1 1J 2R C A J A C K

1

2 D 8

1 N 4 1 4 8

D e a d T im e

R 2

2 2 k

R 1

2 2 k

U 7 A

C D 4 0 9 3 B

1

2

7

1 4

3

IR 2110

Dead Time and Short Circuit ProtectionDead Time and Short Circuit Protection

Page 15: Pontifícia Universidade Católica do Rio Grande do Sul Departamento de Engenharia Elétrica Fernando Soares dos Reis Didactic Platform for Power Electronics

Pontifícia Universidade Católica do Rio Grande do SulPontifícia Universidade Católica do Rio Grande do SulDepartamento de Engenharia ElétricaDepartamento de Engenharia Elétrica

Fernando Soares dos Reis

Full-Bridge InverterFull-Bridge Inverter

Vdc

R

IRFP 460

2

1

3

L

IRFP 460

2

1

3IRFP 460

2

1

3 IRFP 460

2

1

3

Page 16: Pontifícia Universidade Católica do Rio Grande do Sul Departamento de Engenharia Elétrica Fernando Soares dos Reis Didactic Platform for Power Electronics

Pontifícia Universidade Católica do Rio Grande do SulPontifícia Universidade Católica do Rio Grande do SulDepartamento de Engenharia ElétricaDepartamento de Engenharia Elétrica

Fernando Soares dos Reis

Output LC FilterOutput LC Filter

L

C

Page 17: Pontifícia Universidade Católica do Rio Grande do Sul Departamento de Engenharia Elétrica Fernando Soares dos Reis Didactic Platform for Power Electronics

Pontifícia Universidade Católica do Rio Grande do SulPontifícia Universidade Católica do Rio Grande do SulDepartamento de Engenharia ElétricaDepartamento de Engenharia Elétrica

Fernando Soares dos Reis

Implemented SystemImplemented System

DriverDriver

PWM ModulatorPWM ModulatorActive FilterActive Filter

Zero DetectorZero Detector

Power SupplyPower Supply

Crystal OscillatorCrystal Oscillator

Page 18: Pontifícia Universidade Católica do Rio Grande do Sul Departamento de Engenharia Elétrica Fernando Soares dos Reis Didactic Platform for Power Electronics

Pontifícia Universidade Católica do Rio Grande do SulPontifícia Universidade Católica do Rio Grande do SulDepartamento de Engenharia ElétricaDepartamento de Engenharia Elétrica

Fernando Soares dos Reis

Experimental ResultsExperimental Results

T

T

TT

1) Ch 1: 50 Volt 2 ms 2) Ch 2: 50 Volt 2 ms

TwoLevel

Page 19: Pontifícia Universidade Católica do Rio Grande do Sul Departamento de Engenharia Elétrica Fernando Soares dos Reis Didactic Platform for Power Electronics

Pontifícia Universidade Católica do Rio Grande do SulPontifícia Universidade Católica do Rio Grande do SulDepartamento de Engenharia ElétricaDepartamento de Engenharia Elétrica

Fernando Soares dos Reis

TT

T

T

1) Ch 1: 50 Volt 2 ms 2) Ch 2: 50 Volt 2 ms

Experimental ResultsExperimental Results

ThreeLevel

Page 20: Pontifícia Universidade Católica do Rio Grande do Sul Departamento de Engenharia Elétrica Fernando Soares dos Reis Didactic Platform for Power Electronics

Pontifícia Universidade Católica do Rio Grande do SulPontifícia Universidade Católica do Rio Grande do SulDepartamento de Engenharia ElétricaDepartamento de Engenharia Elétrica

Fernando Soares dos Reis

ConclusionsConclusions• In this article a didactic platform to teach Power In this article a didactic platform to teach Power

Electronics was described. This work is inserted Electronics was described. This work is inserted in the context of a solid pedagogic proposal for in the context of a solid pedagogic proposal for the Power Electronics teaching, based on the the Power Electronics teaching, based on the theoretical practical experience mainly in the theoretical practical experience mainly in the field of the inverters and DC drivers. field of the inverters and DC drivers.

Page 21: Pontifícia Universidade Católica do Rio Grande do Sul Departamento de Engenharia Elétrica Fernando Soares dos Reis Didactic Platform for Power Electronics

Pontifícia Universidade Católica do Rio Grande do SulPontifícia Universidade Católica do Rio Grande do SulDepartamento de Engenharia ElétricaDepartamento de Engenharia Elétrica

Fernando Soares dos Reis

ConclusionsConclusions• The system now presented is inserted in a wider The system now presented is inserted in a wider

proposal, started with a didactic kit family, elaborated for proposal, started with a didactic kit family, elaborated for the study of rectifiers circuits. After the implementation of the study of rectifiers circuits. After the implementation of these kits an expressive improvement of the learning these kits an expressive improvement of the learning process was observed, obtaining high approval indexes process was observed, obtaining high approval indexes different from what happened when the discipline was different from what happened when the discipline was presented in the traditional way.presented in the traditional way.

Page 22: Pontifícia Universidade Católica do Rio Grande do Sul Departamento de Engenharia Elétrica Fernando Soares dos Reis Didactic Platform for Power Electronics

Pontifícia Universidade Católica do Rio Grande do SulPontifícia Universidade Católica do Rio Grande do SulDepartamento de Engenharia ElétricaDepartamento de Engenharia Elétrica

Fernando Soares dos Reis

ConclusionsConclusions• We would like to remark the importance We would like to remark the importance

of the popularization of this kind of work, that of the popularization of this kind of work, that approaches pedagogic aspects and is approaches pedagogic aspects and is concerned with the formation of a new concerned with the formation of a new methodology of teaching the Power methodology of teaching the Power Electronics disciplines.Electronics disciplines.

Page 23: Pontifícia Universidade Católica do Rio Grande do Sul Departamento de Engenharia Elétrica Fernando Soares dos Reis Didactic Platform for Power Electronics

Pontifícia Universidade Católica do Rio Grande do SulPontifícia Universidade Católica do Rio Grande do SulDepartamento de Engenharia ElétricaDepartamento de Engenharia Elétrica

Fernando Soares dos Reis

ConclusionsConclusions

• Is important to observe that the work Is important to observe that the work here presented constitutes the second stage of here presented constitutes the second stage of a more ambitious project in which the main a more ambitious project in which the main objective is to develop didactic kits that assists objective is to develop didactic kits that assists the Power Electronics teaching. the Power Electronics teaching.

Page 24: Pontifícia Universidade Católica do Rio Grande do Sul Departamento de Engenharia Elétrica Fernando Soares dos Reis Didactic Platform for Power Electronics

Pontifícia Universidade Católica do Rio Grande do SulPontifícia Universidade Católica do Rio Grande do SulDepartamento de Engenharia ElétricaDepartamento de Engenharia Elétrica

Fernando Soares dos Reis

ConclusionsConclusions

• The versatility of the platform and the The versatility of the platform and the great economy obtained in relation to the great economy obtained in relation to the available educational kits found on the available educational kits found on the market are additional advantages of the market are additional advantages of the proposed system. proposed system.