Capítulo 4 Resultados de simulación y experimentales
4.2 CMLIH con índice de modulación de 0.8
Previamente a la implementación del CMLIH se llevaron a cabo simulaciones de la etapa de control en conjunto con la etapa de potencia, con la finalidad de verificar diferentes características, como el funcionamiento de las técnicas de modulación PWM sinusoidal y eliminación selectiva de armónicos, así como analizar el cálculo de la THD considerando diferentes índices de modulación. En la figura 4.2 se muestra la plataforma elaborada en el software Psim simulada bajo las siguientes características.
Fase A Fase B y C
Tiempo de
simulación= 40 ms Tiempo de simulación= 40 ms
Carga resistiva= 81Ω Carga resistiva= 81Ω
Índice de modulación= 0.8 y 1 Índice de modulación= 0.8 y 1
Número de celdas= 2 Número de celdas= 3
Tiempo de muestreo= 2μs Tiempo de muestreo= 2μs
Tensión de alimentación en celda= Celda1=15V Celda2=30V Tensión de alimentación en celda= 30V
Desfasamiento= 0° Desfasamiento = Fase B 120°
Fase C 240° Ángulos de disparo para m=0.8 α1=29.50° α2=54.53° α3=64.56° Frecuencia de la moduladora= 60 Hz Ángulos de disparo para m=1 α1=11.67° α2=26.93 α3=56.05 Frecuencia de la portadora= 3600 Hz
El tiempo de muestreo elegido se debe a la capacidad de muestreo que tiene el osciloscopio Tektronix, utilizado en la verificación experimental del CMLIH (modelo TDS3054B). La selección de las demás características es justificada en el capítulo 3.
En la figura 4.2 se muestra la manera de conectar el patrón de conmutación con los DSEP de cada fase (el anexo D representa de manera detallada dicha conexión), se observa que una señal de disparo controla dos DSEP (principal y complemento) de cada celda; el interruptor
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complemento recibe la señal de disparo invertida, respecto a la señal de disparo del interruptor principal. La negación y el retraso de la señal de disparo se generan por medio de la compuerta lógica NOT, lo que evita un corto circuito en el bus de CD. Además se muestra que la carga conectada al CMLIH es puramente resistiva y es conectada con la configuración estrella con neutro flotado.
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41 Resultados de Simulación
En la figura 4.3(a) se presenta la forma de onda de salida de tensión fase neutro del CMLIH, obtenida en la simulación con un índice de modulación de 0.8, en la figura 4.3(b) se presenta la tensión entre fases con el mismo índice de modulación.
a)
b)
Figura 4.3. Tensión de salida del CMLIH con m=0.8, a) Tensión fase neutro, b) Tensión entre fases.
Al conectar el sistema entre fases (de fase A a fase B, de fase B a fase C y de fase C a fase A), la onda de voltaje de salida consigue 11 niveles de tensión debido al índice de modulación aplicado (figura 4.3(b)); normalmente el número de niveles entre fases de un sistema trifásico con índice de modulación igual a 1 está dado por la ecuación 4.1, al reducir el índice de modulación reduce consecuentemente el número de niveles.
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(4.1)
Los 11 niveles de la onda de tensión de salida obtenida de la fase B a la fase C, son mejor definidos debido a que las dos fases son controladas con la técnica de modulación PWM sinusoidal en su variante PD, a diferencia de los niveles presentes en las ondas de tensión de fase A a fase B y de fase C a fase A, en las cuales, la onda se observa un poco deformada, ya que la técnica de modulación aplicada en cada fase es distinta.
En las figuras 4.4(a), 4.4(c) y 4.4(e) se muestra la transformada rápida de fourier FFT (Fast Fourier Transform) de las tensiones fase neutro (fase A, B y C respectivamente) y la THD de voltaje correspondiente a cada caso, calculada con la ecuación 4.2 [40]. En 4.4(b), 4.4(d) y 4.4(f), se presenta un acercamiento a los armónicos de mayor magnitud con el fin de observar la frecuencia y amplitud que presentan.
(4.2)
donde:
Vh = Magnitud de la componente armónica múltiple a la fundamental.
h = Orden de armónico.
Vn = Voltaje nominal del armónico fundamental.
En la figura 4.4 se observa que en el caso de la fase A el contenido armónico de mayor amplitud se presenta a frecuencias menores de 2.5KHz, mientras que en las fases B y C el contenido armónico de mayor amplitud se encuentra entre 2.5KHz y 4.5KHz (debido al uso de diferentes técnicas de modulación). El contenido armónico de alto orden presente en las tres fases se puede atenuar fácilmente por medio de filtros o por la inductancia que proporciona la carga, sin embargo ambos casos quedan fuera del alcance de esta tesis ya que el CMLIH está pensado para operar en alta potencia, conectado a un motor que por su naturaleza actúa como filtro, sin embargo, antes de realizar las pruebas en alta potencia, es necesario comprobar que la hibridación del sistema cumple con los objetivos descritos, que aseguran el funcionamiento del sistema en baja potencia (comprobación realizada en esta investigación con carga puramente resistiva).
En las figuras 4.5(a), 4.5(c) y 4.5(d) se presenta la FFT de la tensión entre fases y la THD correspondiente a cada caso, en las figuras 4.5(b), 4.5(d) y 4.5(f), se presenta un acercamiento a los armónicos de mayor magnitud.
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a) b)
c) d)
e) f)
Figura 4.4. FFT y THD de la tensión de salida de fase a neutro del CMLIH con m=0.8, a) Fase A, b) Acercamiento
fase A, c) Fase B, d) Acercamiento fase B, e) Fase C, d) Acercamiento fase C.
29.81%
.89%
23.92%
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a) b)
c) d)
e) f)
Figura 4.5. FFT y THD de la tensión de salida entre fases del CMLIH con m=0.8, a) Fase A, b) Acercamiento fase
A, c) Fase B, d) Acercamiento fase B, e) Fase C, d) Acercamiento fase C.
25.65%
25.63% 21.71%
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En la figura 4.5(d) se muestra que los armónicos de tensión entre las fases B y C (ambas implementadas con la misma técnica de modulación) no incluyen los armónicos de la frecuencia triples, mientras que los armónicos de tensión de la figura 4.5(b) y 4.5(f) reflejan una combinación de armónicos presentes entre las fases A-B y C-A respectivamente, lo que trae como consecuencia un aumento en la THD.
Resultados experimentales
Las pruebas experimentales de operación del CMLIH tomaron como base las características aplicadas en simulaciones previamente descritas. En la figura 4.1 se muestra el diagrama a bloques que representa de manera general las etapas que conforman físicamente el CMLIH.
El comportamiento que adopta el CMLIH implementado es semejante al de la plataforma simulada anteriormente. Los resultados obtenidos de la tensión de salida de fase a neutro con un índice de modulación de 0.8 se muestran en la figura 4.6(a), en la cual se observan los 7 niveles esperados. En la figura 4.6(b) se muestra la tensión de salida entre fases, en la cual se obtienen 11 niveles.
a) b)
Figura 4.6. Tensión de salida del CMLIH con m=0.8, a) Tensión fase neutro, b) Tensión entre fases.
Los niveles de tensión de la figura 4.6 no están completamente balanceados, El desbalance existente en un sistema trifásico se calcula mediante la ecuación 4.3.
(4.3)
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Vprom = Promedio de los voltajes entre fases.
DVM= Diferencia de voltaje entre Vprom y la menor tensión entre fases medida.
En la ecuación 4.3
a
se calcula el desbalance existente en el sistema, considerando que la menor tensión medida se presenta de la fase B a la fase C con 38.0V, mientras que de la fase A a la fase B se obtienen 39.7V y de la fase C a la fase A 40.8V.
(4.3
a
)En el anexo E se presenta la gráfica que muestra que el desbalance máximo permitido en sistemas trifásicos según la NEMA MG-1 es de 5% [41], ya que al superar este valor se compromete el funcionamiento del sistema. Con el resultado obtenido en la ecuación anterior se comprueba que el CMLIH con índice de modulación 0.8 está dentro del valor permitido.
En las figuras 4.7(a), 4.7(c) y 4.7(e) se presenta la FFT de las tensiones fase neutro (fase A, B y C respectivamente), así como también los valores de THD de voltaje correspondiente a cada caso. Para realizar el cálculo de la THD se extrajeron del osciloscopio los datos de la frecuencia y la magnitud de los armónicos, para ser utilizados en un programa desarrollado en Matlab en el cual se aplica la ecuación 4.2.
En las figuras 4.7(b), 4.7(d) y 4.7(f) se presenta un acercamiento a los armónicos de mayor magnitud de la fase A, B y C respectivamente, de la misma manera en que se realizó en simulación.
Al comparar los resultados del contenido armónico obtenido en la simulación con el obtenido en la implementación con un índice de modulación igual a 0.8, se observa que en ambos casos el contenido armónico tiene el mismo comportamiento, los armónicos de mayor amplitud se presenta a frecuencias menores de 2.5KHz, mientras que en las fases B y C el contenido armónico de mayor amplitud se encuentre entre 2.5KHz y 4.5KHz. La amplitud de los armónicos es diferente debido a que en simulación todos los dispositivos utilizados tienen un comportamiento ideal y las fuentes de alimentación son balanceadas en todo momento, mientras que en la implementación existen reducidos desbalances en las fuentes de alimentación que influye en el contenido armónico de la salida.
En las figuras 4.8(a), 4.8(c) y 4.8(e) se presenta la FFT de la tensión entre fases y la THD correspondiente a cada caso, en 4.8(b), 4.8(d) y 4.8(f) se presenta un acercamiento a los armónicos de mayor magnitud. De la misma manera que en simulación en las figuras 4.8(b) y 4.8(f) los armónicos de tensión reflejan una combinación de armónicos existentes en las fases AB y CA respectivamente.
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a) b)
c) d)
e) f)
Figura 4.7. FFT y THD de la tensión de salida de fase a neutro del CMLIH con m=0.8, a) Fase A, b) Acercamiento
fase A, c ) Fase B, d) Acercamiento fase B, e) Fase C, d) Acercamiento fase C.
22.56%
.89%
22.96%
Cenidet Capítulo 4 Resultados de simulación y experimentales 48 a) b) c) d) e) f)
Figura 4.8. FFT y THD de la tensión de salida entre fases del CMLIH con m=0.8, a) Fase A, b) Acercamiento fase
A, c) Fase B, d) Acercamiento fase B, e) Fase C, d) Acercamiento fase C.
18.11%
15.28%
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En la implementación es necesario comprobar que existe un desfase de 120° entre cada una de las fases, para esto se uso la función de medición de diferencia de fases del osciloscopio. Las gráficas resultantes son las mostradas en la figura 4.9; la gráfica que corresponde al desfase de fase a neutro (desfase de la fase A a la fase B, de la fase B a la fase C y de la fase C a la fase A) es la figura 4.9(a), y la figura 4.9(b) presenta la gráfica que corresponde al desfase entre fases (de AB a BC, de BC a CA y de CA a AB).
a) b)
Figura 4.9. Desfase existente con m=0.8, a) Desfase de fase a neutro, b) Desfase entre fases.