Fuente de corriente alterna controlable entre 1 Hz y 50 kHz para aplicaciones de congelación magnética: diseño e implementación de la etapa de potencia

Fuente Taravillo, Guillermo (2017). Fuente de corriente alterna controlable entre 1 Hz y 50 kHz para aplicaciones de congelación magnética: diseño e implementación de la etapa de potencia. Proyecto Fin de Carrera / Trabajo Fin de Grado, E.T.S.I. Industriales (UPM).

Descripción

Título: Fuente de corriente alterna controlable entre 1 Hz y 50 kHz para aplicaciones de congelación magnética: diseño e implementación de la etapa de potencia
Autor/es:
  • Fuente Taravillo, Guillermo
Director/es:
  • Alou Cervera, Pedro
  • Rodríguez, Antonio
Tipo de Documento: Proyecto Fin de Carrera/Grado
Grado: Grado en Ingeniería en Tecnologías Industriales
Fecha: Febrero 2017
Materias:
Palabras Clave Informales: Congelación magnética, Superenfriamiento, CAS, Preservación de Alimentos, Preservación de tejidos, Electrónica de Potencia, Inversor Electrónico, Puente Completo, Transistor MOSFET, Resonancia Eléctrica, Bobina, Campo magnético, Condensador, Control Digital, DSP, Diseño de Circuitos, PCB, Soldadura con Estaño, Simulación de Circuitos.
Escuela: E.T.S.I. Industriales (UPM)
Departamento: Automática, Ingeniería Eléctrica y Electrónica e Informática Industrial
Licencias Creative Commons: Reconocimiento - Sin obra derivada - No comercial

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Resumen

El propósito de este Trabajo Fin de Grado es diseñar un dispositivo capaz de suministrar una intensidad de corriente senoidal a una carga inductiva con el fin de generar un campo magnético en su interior. El dispositivo en cuestión es un convertidor de tensión continua a alterna (CC-CA), también conocido corno inversor electrónico. El campo magnético generado servirá en un futuro para investigar la influencia de este en el proceso de congelación de matrices alimentarias y otros tejidos. El interés en estas investigaciones nace en el ICTAN (Instituto de Ciencia y Tecnología de Alimentos y Nutrición), centro perteneciente al CSIC, en línea con una tesis doctoral sobre la búsqueda de mejoras en la calidad y vida útil de productos congelados aplicando campos electromagnéticos. Además, otras instituciones del campo de la medicina, como el Hospital de Getafe, se han visto atraídas también ante la posibilidad de usar técnicas que mejoren la preservación en frío de tejidos para trasplantes. El uso de campos magnéticos se implementa ya en congeladores industriales de la empresa japonesa ABI (conocidos corno sistemas CAS, Cells Alive System). No obstante, no existe aún consenso sobre la efectividad de la técnica, ya que el proceso intrínseco de congelación tiene muchos parámetros a controlar y estos congeladores CAS no permiten regulación de los campos aplicados. Por ello, desde el ICTAN se desea aislar de forma independiente las variables frecuencia e intensidad del campo magnético para analizar si existe alguna influencia en la nucleación de cristales de hielo y la tasa de superenfriamiento que aparece al congelar tejidos. De este modo, para operar en un rango amplio de frecuencias, el dispositivo se ha diseñado para funcionar en un rango entre l Hz y 50 kHz. Como cargas inductivas se dispone de dos bobinas de núcleo de aire de distinta inductancia por las que se hace circular una intensidad eficaz calculada para la generación un campo magnético determinado. Se ha seleccionado un inversor con topología de puente completo, continuando con el modelo de un TFG anterior que no fne finalmente operativo, y partiendo de este se ha procedido a la simulación, análisis e implementación del mismo. En un primer momento se intentó aprovechar el diseño de la PCB anterior pero dado que era inviable, se decidió diseñar de cero la placa y darle un nuevo enfoque. En paralelo con el presente proyecto, se ha desarrollado otro TFG por parte de un compañero para. implementar el sistema de control digital del inversor, utilizando un DSP (Digital Signal Proccessor) modelo Piccolo F28069 de Texas Instruments. Un primer obstáculo teórico en la consecución de los objetivos, y que no se tuvo en cuenta en el modelo de referencia, fue el hecho de que la tensión necesaria para llevar al inversor a sus condiciones de funcionamiento crece en proporción a la frecuencia, dada una intensidad nominal fija. Para solucionar esto se decidió implementar un bloque resonante en el inversor para disminuir la impedancia de la carga y poder obtener así las frecuencias más altas. En concreto se calcularon cuatro capacidades resonantes para las frecuencias de 10, 20, 40 y 50 kHz. Esto se traduce en implementar condensadores en serie con la carga base. Por medio de la resonancia se consigue mejorar la respuesta del inversor a esas frecuencias y disminuye la tensión necesaria para hacerlo funcionar. Se podría resumir el presente trabajo en tres grandes fases hasta la obtención del dispositivo inversor, que se desarrollan a continuación. En primer lugar, se simuló el funcionamiento del inversor utilizando el software PSIM para estudiar el comportamiento a nivel teórico. Para ello se obtuvieron gráficas de la salida a varias frecuencias concretas en el rango de interés y en distintos supuestos de control. Estos son: control por onda cuadrada y control PWM modulado, comparando el contenido armónico de cada uno. En un primer momento, las simulaciones fueron realizadas en bucle abierto. Posteriormente, se analizaron los efectos de añadir al inversor un control en bucle cerrado (regulador de tipo PI) para el caso de PWM modulado unipolar. En segundo lugar, se procedió a la implementación física del dispositivo. Para ello se revisaron y eligieron los componentes electrónicos a utilizar y se diseñó la PCB (Printed Circuit Board) con la ayuda del software Altium Designer. En vista de que el modelo de PCB inicial no había sido operativo y, tras un primer intento fallido de PCB de dos capas, se tornó la decisión de partir de cero y efectuar un diseño completamente nuevo. El prototipo resultante añadía así mejoras como el bloque resonante y optimizaba el espacio disponible en la placa. Al ser el nuevo diseño de cuatro capas, este no podía ser fabricado en el taller del CEI (Centro de Electrónica Industrial) en la ETSII, por lo que se mandó a fabricar a una empresa externa. Como ventaja, el acabado resultaría mucho más fino y el contacto eléctrico entre componentes tras la soldadura quedaría garantizado. En tercer y último lugar, se soldaron todos los componentes y se revisó el estado de las conexiones con un polímetro. Tras estas comprobaciones, se pasó a validar el prototipo aplicando los pulsos de control y alimentando con una tensión controlable manualmente. Después de todo el proceso se extrajeron conclusiones, estableciendo que el inversor obtenido es operativo y adecuado para el objetivo con el que se había proyectado. Se propusieron así mismo una serie de actuaciones a realizar como líneas futuras del proyecto. Para finalizar, cabe añadir que el presente Trabajo Fin de Grado se ha extendido desde febrero de 2016 hasta febrero de 2017 con un presupuesto total estimado de 6145,75€. Se ha becado al autor durante cuatro meses del mismo (entre octubre y enero) y se calcula una dedicación aproximada al mismo de entre 400 y 450 horas.

Más información

ID de Registro: 45383
Identificador DC: http://oa.upm.es/45383/
Identificador OAI: oai:oa.upm.es:45383
Depositado por: Biblioteca ETSI Industriales
Depositado el: 03 Abr 2017 06:56
Ultima Modificación: 03 Abr 2017 06:56
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