Diseño de un inversor de corriente eléctrica con selector manual de conexión por fases a la salida

INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL

ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA

MECÁNICA Y ELÉCTRICA

DISEÑO DE UN INVERSOR DE CORRIENTE ELÉCTRICA

CON SELECTOR MANUAL DE CONEXIÓN POR FASES A LA

SALIDA

TESIS

QUE PARA OBTENER EL TÍTULO DE INGENIERO

ELECTRICISTA

PRESENTA

LUIS ALBERTO MEDINA SILVA

ASESORES

ING. JOSÉ LUIS DELGADO MENDOZA

ING. EVERARDO LÓPEZ SIERRA

DEDICATORIA

AGRADECIMIENTOS

Gracias a Emilio mi papá, por su apoyo y darme todo siempre.

Gracias Ivan mi hermano, por aguantarme y por ser mi hermano.

Gracias a Vania mi hermana, porque se lo mucho que me quiere y que siempre me frecuenta.

Gracias a Ofelia mi mamá, por cuidarme desde siempre y preocuparse por mí, ayudándome a crecer como persona.

Especiales agradecimientos a mis profesores que contribuyeron en este trabajo, a Everardo por insistir en hacer este trabajo gracias. A José Luis por aceptar ser mi asesor técnico y ayudarme a terminar este trabajo.

Gracias a todos los que de alguna manera influyeron para poder lograr este trabajo, gracias a mi tía Lolita por todo.

Gracias a dios.

I. RESUMEN.

En este trabajo se podrá encontrar el diseño de un inversor de corriente eléctrica con selector manual de conexión por fases a la salida, el cual surge de la necesidad de no contar con fuentes de energía eléctrica de emergencia, móviles y económicas, además de brindar una buena calidad, un alto nivel de rendimiento y altos niveles de potencia.

De ahí que en cuatro capítulos se aborde todo lo referente a un inversor trifásico que satisfaga las necesidades anteriormente mencionadas, tratando de abordar todos los temas relacionados con los inversores de corriente eléctrica monofásicos y trifásicos, así como sus circuitos de control, de forma puntual para una sencilla y fácil comprensión.

En los capítulos uno y dos se abordan la información básica y necesaria para desarrollar el proyecto de la mejor forma, tratando temas como definición de un inversor de corriente eléctrica, los tipos de inversores que se emplean más en la actualidad, su topología y los elementos que lo componen. Incluyendo los métodos por los cuales se controla a los inversores más empleados, se comparan y muestran las ventajas y desventajas de dicho métodos de control.

II. INTRODUCCIÓN.

El presente trabajo aborda el diseño de un inversor de corriente eléctrica con selector manual de conexión por fases a la salida, dicho diseño es motivado por las necesidades observadas en algunas situaciones de trabajo, en donde por un lado se utiliza la corriente eléctrica para distintos usos (trabajos), y por el otro no se cuenta con una conexión eléctrica fija.

En este proyecto se explica el diseño del inversor tomando en cuenta la importancia que estos equipos tienen en la actualidad y la relevancia de sustituir las grandes maquinas generadoras móviles por estos inversores, que, comparados a los ya mencionados generadores, su tamaño es significativamente menor.

Dependiendo de los usos donde se emplee el inversor, puede necesitarse distintos tipos de conexiones; monofásica dos hilos, trifásica tres hilos, trifásica cuatro hilos, etcétera, esto dependerá del instrumento eléctrico utilizado. Este inversor presentará distintos tipos de conexiones, adecuados a la carga que alimenta, resultado de la selección de conexión por fases a la salida, debido a esto, las aplicaciones de este equipo pueden adecuarse a las situaciones donde el operador decida utilizar.

III. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA.

El espacio donde hay una subestación eléctrica debe ser exclusivo para ello, por lo que solo debe haber lo necesario. Al realizar actividades de reparación o mantenimiento dentro de una subestación eléctrica, generalmente se utilizan herramientas que requieren para su funcionamiento energía eléctrica, si dichas herramientas utilizan una tensión mayor a 127 volts, seguramente no habrá puntos de conexión comunes para conectar estas herramientas, por lo que se requiere conectarse directamente al tablero principal donde si hay esas tensiones, sin embargo, esto resulta altamente riesgoso. En la actualidad, la solución a esta situación es el uso de una fuente de energía secundaria o externa a la subestación para alimentar dicha herramienta. Estas fuentes secundarias o externas son las plantas de emergencia. En el caso de un mantenimiento preventivo donde se realizan pruebas a las partes que componen una subestación eléctrica, el suministro de energía se deshabilita por completo, entonces ya no hay fuentes de energía y la única solución es el uso de las fuentes secundarias o externas a la subestación.

IV. JUSTIFICACIÓN.

Durante el mantenimiento a subestaciones eléctricas donde se debe filtrar el aceite de los transformadores, se toma la energía directamente del tablero de conexión lo que resulta altamente riesgoso y retrasa las actividades, porque al no estar desenergizada la subestación, el mantenimiento no se puede realizar por completo. Es decir, cuando se tiene una maquina filtradora de aceite conectada al tablero principal de la subestación eléctrica, no es posible realizar el mantenimiento por completo, (realizar pruebas a los transformadores de relación de transformación, pruebas de aislamiento y hacer limpieza en el interior de la subestación si es tipo compacta) porque la subestación eléctrica y por consecuencia el transformador siguen energizados. Para dar solución a este contratiempo se pueden implementar fuentes de energía secundarias, como lo son, máquinas de emergencia síncronas a diésel y máquinas de emergencia a gasolina, para alimentar a la maquina filtradora de aceite, y a servicios propios del mantenimiento. Así como este ejemplo hay diversos eventos en los que es necesario una maquina con conexión trifásica.

V. OBJETIVOS.

V.I. OBJETIVO GENERAL

Diseñar un inversor de corriente eléctrica con selector manual de conexión por fases a la salida.

V.II. OBJETIVO ESPECÍFICO

 Conocer que es un inversor de corriente eléctrica.

 Colocar a la salida del inversor un selector manual que permita realizar distintos tipos de conexiones de una, dos y tres fases

 Controlar la corriente y por ende la potencia que proporcione el inversor según lo demande la carga.

 Reducir los costos de operación causados por retrasos de tiempo en los mantenimientos a subestaciones eléctricas.

ÍNDICE

CAPÍTULO1 INVERSOR DE CORRIENTE ELÉCTRICA ... 1

1.1DEFINICIÓN DE INVERSOR DE CORRIENTE ELÉCTRICA ... 1

1.1.1MODULACIÓN PWM ... 2

1.1.2 INVERSORES MULTINIVEL ... 3

1.1.3 INVERSORES CON PUENTE H Y EN CASCADA ... 6

1.2TOPOLOGÍA DE LOS INVERSORES ... 12

CAPÍTULO 2 CARATERISTICAS Y ELEMENTOS QUE COMPONEN A UN INVERSOR... 16

2.1ELEMENTOS PRINCIPALES DE UN INVERSOR ... 16

2.1.1CIRCUITO CONTROLADOR DEL INVERSOR ... 17

2.1.2MODULACIÓN POR ONDA PORTADOR Y POR HISTÉRESIS ... 18

2.2TRANSFORMADORES Y TIPO DE CONEXIONES ... 21

2.2.1BANCO DE ACUMULDORES ... 28

CAPÍTULO 3 DESARROLLO ... 31

3.1ESTUDIO TÉCNICO ... 31

3.1.1CIRCUITO CONTROLADOR (CIRCUITO DE DISPARO) ... 33

3.1.2CIRCUITO DISEÑADO PARA LA SIMULACIÓN ... 35

3.1.3RESULTADOS DE LA SIMULACIÓN ... 38

3.2ESTUDIO ECONÓMICO ... 44

3.2.1COSTO DEL INVERSOR ... 44

3.2.2USO DEL INVERSOR ... 45

3.2.3COMPARACIÓN DEL INVERSOR CON UNA PLANTA DE EMERGENCIA A GASOLINA ... 46

vii

CAPÍTULO 4 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ... 47

4.1CONCLUSIONES ... 47

4.2RECOMENDACIONES ... 48

4.3 TRABAJOS FUTUROS ... 49

REFERENCIAS ... 50

ÍNDICE DE TABLAS ... 52

ÍNDICE DE IMÁGENES ... 53

GLOSARIO DE TÉRMINOS TÉCNICOS Y SIGLAS ... 55

CAPÍTULO 1 INVERSOR DE CORRIENTE ELÉCTRICA

1.1 DEFINICIÓN DE INVERSOR DE CORRIENTE ELÉCTRICA

La función principal de los inversores es generar una corriente alterna a partir de una fuente de corriente continua.

Los inversores se ubican en la electrónica de potencia en el campo de la conversión de energía eléctrica y tienen como función principal el generar una señal sinusoidal con amplitud y frecuencia variable a partir de fuentes CD. De acuerdo a su fuente de alimentación los inversores se clasifican en: inversores con fuente de corriente (CSI) e inversores con fuente de tensión (VSI). Dentro de estos dos grupos existen varias configuraciones, sin embargo, para el caso de los accionamientos eléctricos de baja y mediana potencia la topología típica es el inversor trifásico de dos niveles en puente completo de la figura 1.1.

Este esquema está formado por un conjunto de seis transistores de potencia, con 6 diodos alimentados por una fuente de tensión de CD.

Cada par de transistor-diodo opera en los estados de corte o saturación comportándose como un interruptor bidireccional. A partir del estado de los interruptores, los terminales de salida de cada rama toman los valores de tensión que proporcionan los capacitores con respecto a la terminal central de fuente de CD. La secuencia de conmutación que siguen los interruptores viene impuesta por un proceso previo de modulación que será el que determine las características de la señal de salida, entre ellas: forma, amplitud, frecuencia y contenido armónico.

1.1.1 MODULACIÓN PWM

1.1.2 INVERSORES MULTINIVEL

Como se mencionó en el tema 1.1 el inversor convierte corriente continua a corriente alterna partir de una fuente de un corriente continua. Entonces, si dicha fuente de corriente continua se dividiera en varias fuentes de menor valor, sería posible generar una corriente de salida alterna con niveles de tensión escalonados utilizando inversores multinivel.

Figura 1.2. Esquema de un Inversor de (a) dos niveles, (b) tres niveles y (c) m niveles de [1]

Figura 1.3. Onda de tención multinivel, usando 11 niveles de [2]

Con esto se puede concluir, que a mayor número de niveles del inversor, mayor es la cantidad de niveles de la onda, obteniendo menor distorsión armónica.

Algunas características de los Inversores Multinivel son:

a) Pueden generar tensiones de salida con muy poca distorsión. b) Las corrientes de entrada son de muy baja distorsión.

c) Generan tensiones de bajo valor de modo común, protegiendo los motores. Más aún, utilizando sofisticados métodos de modulación, la tensión de modo común puede ser eliminado.

1.1.3 INVERSORES CON PUENTE H Y EN CASCADA

De acuerdo con Berton (2003) se puede aumentar el número de niveles de los inversores sin aumentar el número de fuentes de tensión, utilizando la configuración de los Puentes “H”. Estos puentes se construyen utilizando dos inversores multinivel idénticos, de alguno de los tipos mostrados en la figura 1.5. Esto permite a la carga evitar el retorno directo hacia las fuentes de tensión continua y elevar el número de niveles de n+1 a 2n+1. Una configuración generalizada de un puente “H” como el mencionado se ilustra en la figura 1.4. (Berton, 2003, p. 10).

Figura 1.5. Configuración de un inversor de puente "H" de tres niveles

De acuerdo con Berton (2003) en esta configuración de puente H (figura 1.5) se genera una señal de 3 niveles, un tiempo en alto (+VCD) un tiempo en cero y uno más en bajo (-VCD), definiremos al tiempo en alto como 1, al tiempo en cero como 0 y al tiempo en bajo como -1 para explicar el funcionamiento de esta configuración. Para obtener +V_CD, los semiconductores S₁ y S₄ se ponen en conducción (1),

mientras que S₂ y S₃ están en estado de no conducción (0). Encendiendo los semiconductores S₂ y S₃ y apagando S₁ y S₄, se obtiene –V_CD. Con las combinaciones S₁ y S₂ o S₃ y S₄ en estado encendido se obtiene una tensión de salida de amplitud cero. Cualquier otra combinación no es permitida pues provocará un cortocircuito en la fuente CD del módulo. En la tabla 1.1 se muestra la tensión de salida Vab. (Berton, 2003, p. 12).

Tabla 1.1. Tensión de salida del puente H y estado de los semiconductores

S1 S2 S3 S4 Vab

1 0 0 1 1

1 1 0 0 0

0 0 1 1 0

En la figura 1.6 se muestra el diagrama de conexión para un Inversor en Cascada de dos etapas. Este inversor puede generar tensiones de salida que van desde – 2VCD a +2VCD con cinco niveles diferentes (dos en el semiciclo positivo, dos en el semiciclo negativo y el cero, con escalones iguales a VCD). Para conseguir los diferentes niveles de tensión se debe utilizar la secuencia de conmutación que se muestra en la tabla 1.2, la que se construyó siguiendo la secuencia de la sinusoide de la figura 1.6. Además, se puede apreciar los diferentes niveles de tensión.

Tabla 1.2. Tensión de salida y estado de los semiconductores de la configuración de la figura 1.6 S1A S2A S1A ' S2A ' S1B S2B S1B ' S2B ' Vac

1 1 0 0 1 1 0 0 0

1 0 0 1 1 1 0 0 1

1 0 0 1 1 0 0 1 1*2

1 0 0 1 0 0 1 1 1

0 0 1 1 0 0 1 1 0

0 1 1 0 0 0 1 1 -1

0 1 1 0 0 1 1 0 -1*2

0 1 1 0 1 0 0 0 -1

Una forma para aumentar aún más el número de niveles sin hacer crecer el número de fuentes de tensión independientes en forma desmesurada, es haciendo uso de una configuración de inversores en cascada, es decir, la aplicación combinada de inversores Puente “H”. La onda de salida del inversor se forma mediante arreglos de conmutación en el tiempo de varios puentes “H” conectados en cascada. Así, la tensión de salida corresponde a la suma (o también diferencia) de las tensiones de cada uno de los módulos puente “H”.

Figura 1.7. Esta figura muestra una fase de un inversor en configuración puentes H en cascada, 4 etapas y 9 niveles. La forma de onda corresponde a la salida de Vac

1.2 TOPOLOGÍA DE LOS INVERSORES

Previamente, a este capítulo se han abordado distintas configuraciones de inversores, con distintos semiconductores, solo falta complementar algunas topologías adicionales que se pueden realizar, esto se hará resaltando la configuración con puentes “H” en cascada debido a la potencia que permite manejar y la poca distorsión que se logra con este tipo de inversores.

Inversor de puentes en H en Cascada de 2 etapas 5 niveles con Fuente Común.

Utilizando un esquema similar al del inversor con fuentes independientes (figura 1.6), pero utilizando transformadores en la salida, se puede construir un inversor multietapa con fuente común. En la figura 1.8 se puede observar el diagrama de un inversor de este tipo de dos etapas.

Figura 1.8. Inversor de puentes H en cascada con fuente común conectado a un transformador y su forma de onda de [1]

La ventaja de esta configuración comparando con la que no utiliza transformadores, es que con solo una fuente de corriente directa se pueden energizar todos los puentes del inversor. Esta ventaja es más evidente al aumentar el número de etapas del inversor. Por ejemplo, en un inversor trifásico de cuatro etapas con fuentes independientes, se necesitan doce fuentes de CD para construir un inversor de las mismas características que uno de fuente común, que sólo utiliza una fuente de CD. No obstante hay que mencionar que la topología de fuente común no es muy práctica en aplicaciones en frecuencia variable. Por esta razón ella está pensada para la implementación de rectificadores, filtros activos de potencia, compensadores estáticos de reactivos o inversores conectados a la red trifásica.

maneja más del 80 % de la potencia transferida, por lo que este puente en particular recibirá el nombre de principal. El Principal o también llamado Maestro es el puente “H” que está en la parte inferior de la Figura 1.9, ya que justamente es el que tiene mayor tención. El resto de los puentes “H” serán llamados Auxiliares. El principal, además, es el que trabaja a menor frecuencia de conmutación, mientras que el Auxiliar superior de la cadena presenta las características inversas, es decir, la mayor frecuencia de conmutación, pero el menor voltaje, lo que es una ventaja en este tipo de topologías (Ruiz, 2012, p 13).

Figura 1.9.Topología de un inversor puente H en cascada de 4 etapas de [1]

Ventajas

 Dado que cada puente tiene la misma estructura, permite la modulación de cada uno, lo que reduce tiempo y costo para quienes los construyan. Esto es válido para inversores con puentes “H” no escalados de tensión. De otro modo, cada módulo es distinto.

 Requiere de menos componentes, ya que no se necesitan diodos ni condensadores en paralelo con los semiconductores.

 A mayor número de niveles, menor es la distorsión armónica.  Los Flujos de potencia Activa y Reactiva pueden ser controlados.

Desventajas

CAPÍTULO 2 CARATERISTICAS Y ELEMENTOS QUE COMPONEN A

UN INVERSOR

2.1 ELEMENTOS PRINCIPALES DE UN INVERSOR

Los elementos para el inversor se consideran a partir de topología y controladores mencionados en el capítulo 1.2 en el cual se busca un diseño simple que cumpla los objetivos del proyecto.

Se plantea una topología sencilla de un puente “H” por fase, con un circuito de disparo a partir de transistores, controlados por configuraciones RLC, para controlar a los dispositivos semiconductores de conmutación.

A continuación se explican los elementos principales.

 Banco de acumuladores: Es la fuente de energía que posibilita la entrega corriente directa y absorción de potencia activa.

 Inversor: Incorpora configuraciones de los semiconductores de conmutación (MOSFEST’s) junto a un disipador de calor y sus elementos, y los circuitos de alimentación y control.

 Transformador: El transformador eleva la tensión hasta el nivel de la red y a su vez actúa de filtro junto a una bobina, puede llevar un banco de capacitores.

 Protecciones: protecciones termo magnéticas para el control y el inversor.

 Selector de conexión a la salida por fases: en este proyecto se tendrán dos conexiones a la salida; delta paralela y estrella paralela.

2.1.1 CIRCUITO CONTROLADOR DEL INVERSOR

El puente inversor trifásico de tensión comenzó a desarrollarse a partir de la aparición de los tiristores y adquirió una masiva difusión a partir del desarrollo de dispositivos de conmutación de potencia con encendido y apagado controlado como son MOSFETs, IGBTs y GTOs, por mencionar los principales. Paralelamente y acompañando el desarrollo de los dispositivos de potencia se fueron desarrollando distintas estrategias de modulación PWM desde mediados de la década del 60. La gran variedad de métodos propuestos en los últimos 40 años pueden agruparse en dos grandes líneas:

 Modulación por programación de los ángulos de conmutación.  Modulación basada en una señal portadora.

de los 70, demostrándose que mientras la relación entre portadora y fundamental fuese grande se mantenía una relación lineal entre la referencia y la tensión fundamental a la salida del inversor, y las componentes armónicas se concentran en bandas laterales alrededor de la portadora y sus múltiplos.

2.1.2 MODULACIÓN POR ONDA PORTADORA Y POR HISTÉRESIS

Por onda portadora:

La modulación basada en una portadora es la forma de modulación vigente más sencilla. Se refiere a la técnica de usar una onda sinusoidal pura (SPWM, del inglés: Sinusoidal Pulse-Width Modulación) o sinusoidal distorsionada como señal moduladora, que se compara con una onda triangular para entregar las señales de disparo.

Figura 2.1. Obtención de disparos y forma de onda de [3]

Para esta técnica de modulación se define la razón de modulación M, que corresponde al cociente entre la amplitud de la señal moduladora, y la mitad de la tensión de entrada continua.

Por histéresis:

Esta técnica, al ser de lazo cerrado, tiene algunas ventajas:

 Muestra una alta precisión en el seguimiento de una corriente de referencia.

 Ofrece protección contra corrientes elevadas y sobrecarga.  Presenta un excelente comportamiento dinámico.

 Se compensa automáticamente en caso de ocurrir cambios de parámetros en la red. Pese a esto, es una técnica poco usada actualmente por sus importantes desventajas:

 Introduce armónicos dispersos en el espectro de frecuencia. Esto vuelve difícil filtrarlos e impide cumplir con normas.

 Al no tener un control sobre la frecuencia de conmutación, las perdidas por este concepto son muy variables.

2.2 TRANSFORMADORES Y TIPO DE CONEXIONES

Encontramos en los transformadores su clasificación por las siguientes características:

Por su aplicación:  Elevador  Reductor

 Aislamiento (paso 1:1)

Por su número de fases

Transformadores monofásicos

Los transformadores monofásicos, tanto de columnas como acorazados, se usan en líneas de media tensión para reducir la tensión, en líneas de media tensión de 13,2 kV a baja tensión de 0.22kV. Se suelen encontrar, de pequeña potencia en soportes de líneas eléctricas rurales. También se los encuentra, en potencias altas, para constituir bancos trifásicos, con tres de ellos, en sistemas de distribución

Transformadores Trifásicos

El trifásico de columnas es el más usado. Se encuentra desde pequeñas potencias (10 kVA) hasta muy grandes (150 MVA). Como elevadores de tensión en las centrales, reductores en las subestaciones, de distribución en ciudades, barrios, fábricas, etc.

Transformadores Hexafásicos

Por la forma del núcleo

Transformador monofásico de columnas

El transformador a columnas posee sus dos bobinados repartidos entre dos columnas del circuito magnético. En la figura se trata de un transformador monofásico dónde el circuito magnético se cierra por las culatas superior e inferior.

Figura 2.3. Transformador monofásico tipo ventana

Transformador monofásico acorazado

Se le denomina acorazado cuando el núcleo cubre parcialmente el embobinado del transformador, en el caso de un circuito acorazado, como en el de los transformadores, el flujo que se produce en la columna central, se divide por las 2 columnas laterales y por tanto, la Reluctancia equivalente de las ramas en paralelo es la inversa de la suma de las inversas

Figura 2.4. Transformador monofásico tipo seco acorazado

Transformador trifásico de columnas

La diferencia con el transformador monofásico tipo columnas es que este tiene tres columnas, y su aplicación es para una línea trifásica.

Figura 2.5.Transformador trifásico tipo seco de tres columnas

Figura 2.6.Transformador trifásico tipo columna

Por su núcleo

(

 Núcleo de Hierro  Núcleo Variable

Por el tipo de conexión (relacionada con las fases) Delta –estrella -

Delta – delta - Estrella – estrella - Estrella – delta -  Delta – T (Scott) -T

Por su tipo de enfriamiento

Tipo AA

Tipo AFA

Transformador tipo seco con enfriamiento por aire forzado. Se emplea para aumentar la potencia disponible de los tipo AA y su capacidad se basa en la posibilidad de disipación de calor por medio de ventiladores o sopladores.

Tipo AA/FA

Transformador tipo seco con enfriamiento natural y con enfriamiento por aire forzado. Es básicamente de tipo AA al que se le adicionan ventiladores para aumentar su capacidad de disipación de calor.

Tipo OA

Transformador sumergido en aceite con enfriamiento natural. En éstos, el aceite aislante circula por convección natural dentro de un tanque que tiene paredes lisas o corrugadas, o bien provistos con tubos radiadores. Esta solución se adopta para transformadores de más de 50 kVA con voltajes superiores a 15 kV.

Tipo OA/FA

Transformador sumergido en líquido aislante con enfriamiento propio y con enfriamiento por aire forzado. Es básicamente un transformador OA con la adición de ventiladores para aumentar la capacidad de disipación de calor en las superficies de enfriamiento.

Tipo OA/FOA/FOA

El aumento de la capacidad se hace en dos pasos: en el primero se usan la mitad de los radiadores y la mitad de las bombas, con lo que se logra aumentar 1.33 veces la capacidad del tipo OA; con el segundo paso se hace trabajar la totalidad de los radiadores y bombas con lo que se logra un aumento de 1.667 veces la capacidad del OA. Se fabrican en capacidades de 10 000 kVA monofásicos 15000 kVA trifásicos.

Tipo FOA

Transformador sumergido en líquido aislante con enfriamiento por aceite forzado y de aire forzado. Éste puede absorber cualquier carga de pico a plena capacidad ya que se usa con los ventiladores y las bombas de aceite trabajando al mismo tiempo.

Tipo OW

Transformador sumergido en líquido aislante con enfriamiento por agua. En éste, el agua de enfriamiento es conducida por serpentines, los cuales están en contacto con el aceite aislante del transformador y se drena por gravedad o por medio de una bomba independiente. El aceite circula alrededor de los serpentines por convección natural.

Tipo FOW

Transformador sumergido en líquido aislante con enfriamiento de aceite forzado y con enfriadores de agua forzada. Este tipo es prácticamente igual que el FO, sólo que el cambiador de calor es del tipo agua-aceite y se hace el enfriamiento por agua sin tener ventiladores.

Por su aplicación en potencia

 Transformadores tipo subestación de potencia (MVA) Elevadores.  Transformadores tipo subestación de potencia (MVA) Compensadores.  Transformadores tipo distribución (KVA) Reductores.

 Transformadores tipo subestación cliente (KVA) Reductores.

2.2.1 BANCO DE ACUMULDORES

Acumuladores de ciclado profundo

En este punto se describirán los acumuladores más adecuados para el uso de este inversor basados en la disponibilidad de ellos en el mercado, evitando las tecnologías que aún están en desarrollo. Las características de los acumuladores de ciclado profundo, son óptimos para este tipo de herramientas eléctrico-electrónicas. Los acumuladores de ciclado profundo están especialmente diseñados para soportar un alto número de descargas profundas, y ser recargados sin afectar su desempeño, a diferencia de los acumuladores automotrices, que al ser sometidos a condiciones de descargas profundas, pierden más rápidamente su capacidad. Básicamente, un ciclo se describe como una descarga y una carga del acumulador, no importando el porcentaje de descarga que haya sufrido.

Estos acumuladores son utilizados principalmente, para proveer energía eléctrica a equipos que no tienen un sistema de generación propia, como pueden ser: pequeños vehículos eléctricos, motores troleadores, luces, equipos de navegación o de comunicación, casas móviles, sistemas de energía solar, entre otros.

Los acumuladores de ciclado profundo están construidos con materiales activos de alta densidad con aditivos especiales, además de aleaciones en sus placas que cumplen con el propósito de lograr un mejor desempeño en sus ciclos de carga y descarga profunda. Con esto disminuyen el reblandecimiento y desprendimiento del material activo de las placas positivas, prolongando la vida del acumulador sometido a dichas condiciones.

Tabla 2.1. Tabla comparativa ente acumuladores (LTH) de ciclado profundo y acumuladores automotrices de [9]

Acumuladores de ciclado profundo Acumuladores de arranque

(Automotrices) Fabricados con aleaciones de

Antimonio (Sb). Fabricados con aleaciones de Calcio _(Ca).

Están diseñados para recibir descargas profundas de hasta el 70% de su

capacidad.

Están diseñados para recibir descargas de hasta un 10-15% de su capacidad.

Son diseñados para proporcionar pequeñas cantidades de corriente por varias horas.

Están diseñadas para proporcionar grandes cantidades de corriente en pocos segundos.

Una vez terminado el tiempo de vida útil de estos acumuladores, pueden ser reciclados y reutilizados. Esto es realizado por la misma empresa proveedora, para minimizar los efectos altamente contaminantes que los materiales que componen a estos acumuladores presentan.

El número y configuración de acumuladores de ciclado profundo, se determina partir de la corriente por hora que demandara la carga al inversor, entonces se observa la siguiente tabla;

Tabla 2.2. Tabla de tiempo de descarga de acumuladores (LTH) de ciclado profundo de [9]

Carga [A] 2 5 10 15 20 25 acumulador Modelo del

Tiempo de descarga en

hrs.

43.1 16.1 7.5 4.8 3.4 2.7 27/MDC-160 min

Tiempo de descarga en

hrs.

Acumuladores AGM y de GEL

Esta resulta ser otra opción muy adecuada para la alimentación de este inversor, ya que su eficiencia (ciclos de descarga profunda) comparada con los acumuladores de antimonio (ciclado profundo LTH) es mayor, además su peso y tamaño resulta mucho menor a comparación de los acumuladores de antimonio.

En estos acumuladores AGM (Absorbent Glass Mat) estas baterías, el electrólito se absorbe por capilaridad en una estera en fibra de vidrio situada entre las placas. Los acumuladores AGM resultan más adecuadas para suministrar corrientes muy elevadas durante períodos cortos como en el arranque de motores en comparación con los acumuladores de GEL. Por otro lado tiene un número menor de ciclos de descarda que los acumuladores de GEL.

En los acumuladores de GEL, el electrólito se inmoviliza en forma de GEL. Los acumuladores de gel tienen por lo general una mayor duración de vida y una mejor capacidad de ciclos que los acumuladores AGM.

Ambos tipos de acumuladores AGM y de GEL muestran una baja capacidad de auto descarga, ya que pueden permanecer un periodo moderadamente largo para un acumulador común sin necesidad de cargar, además tienen una gran capacidad de recuperación a descargas prolongadas o profundas esto siempre y cuando se utilicen según sus instrucciones de uso.

CAPÍTULO 3 DESARROLLO

3.1 ESTUDIO TÉCNICO

Inversor trifásico requerido es de 127 V de fase a neutro y 220 V en conexión estrella de fase a fase, y de 220 V en conexión delta entre fases a 60 Hz.

El inversor estará compuesto por un circuito controlador, puentes H formados por

MOSFET’s y transformadores monofásicos. Cada fase deberá tener un circuito

controlador específico para proporcionar la frecuencia de disparo y el desfasamiento de 5.55 ms entre fases.

Por las características de los MOSFET’s la señal de salida no puede ser mayor a Vcc, (tensión del banco de acumuladores), entonces

����� = ���= �

Y la tensión mínima de disparo de MOSFET es de +10 V y -10 V por lo que la señal del controlador debe ser igual o mayor que la tensión mínima de disparo. De esto se deriva en el diseño de un circuito de control, que proporcione a la salida una señal

de pulsos con la amplitud suficiente para el disparo de los MOSFET’s_.

Debido a esta característica d e los circuitos de control, estos circuitos son bastante complejos como ya se los menciono en el tema 2.1, además de descartar desde el comienzo el control por PWM, ya que no es el adecuado para manejar los niveles de corrientes y tensiones deseados.

Por lo anteriormente planteado se decide diseñar el circuito de disparo con transistores NPN 2N3055 que nos pueden proporcionar una señal de pulsos con suficiente amplitud para activar a los MOSFET’s.

Tabla 3.1. Especificación de la señal de disparo

SEÑAL DE CONTROL DEL MOSFET TIEMPO DEL PULSO

TH<10 V 8.33 ms

T0 >10 V 8.33 ms

de esta forma tenemos que nuestro periodo es de 16.66 ms

� = �

+ �

= 8. �

� + 8. �

� = 6.66�

�

� = 6.66�

_{� = �}

�� = 6.66�

_{� = 6}

dónde:

� = es el periodo

�� = tiempo en alto

3.1.1 CIRCUITO CONTROLADOR (CIRCUITO DE DISPARO) Este es el circuito de disparo diseñado para una fase del inversor

Figura 3.1.Circuito de disparo utilizando semiconductores 2N3055 como interruptores.

Figura 3.2.Forma de onda del circuito de disparo

En la figura 3.3 se ilustra la diferencia (dif=) entre los cursores A1 y A2 que está justo en donde comienza su tiempo en 0 y donde termina.

3.1.2 CIRCUITO DISEÑADO PARA LA SIMULACIÓN

El inversor deberá suministrar una tensión sinusoidal trifásica, adecuada para alimentar dos motores jaula de ardilla trifásicos, uno de ellos de la capacidad de 1 HP y el otro de 2 HP

Figura 3.4. Esta imagen muestra el circuito inversor diseñado

Este es parte del circuito diseñado, conectando los circuitos de disparo de pulso, los

MOSFET’s en configuración puente H y conectando las bobinas primarias de los

Circuito diseñado completo (incluyendo transformador), el transformador se encuentra en conexión estrella, por lo que es selector manual por fases indicaría conexión estrella.

Parte del circuito diseñado (incluyendo transformador), en la imagen 3.6 se muestra

solo la conexión de los MOSFET’s en configuración puente H conectado al

transformador. El transformador se encuentra en conexión delta, por lo que es selector manual por fases indicaría conexión delta.

3.1.3 RESULTADOS DE LA SIMULACIÓN

Simulación realizada con el software OrCad Pspice 16.0

La forma de onda a la salida de los MOSFET’s es la que ilustra la figura 3.7, se observa que sus niveles máximos de tensión son de 24 V y -24 V alternadamente cada 8.33ms, es decir, que esta es la forma de onda que entra en el lado secundario de los transformadores para posteriormente obtener al lado secundario la forma de onda deseada. Observando la figura horizontalmente se aprecia en el eje vertical la escala de nivel de tensión, y en el eje horizontal se observa la escala de tiempo.

Como se ha mencionado en la tabla 3.1 el tiempo del pulso mayor a 10 V debe ser de 8.33 ms y el tipo del pulso menor a 10 V también debe ser de 8.33 ms, haciendo uso de la herramienta denominada Toggle Cursor en las dos siguientes imágenes se muestra ambos tiempos referenciados por los cursores A1 y A2.

Figura 3.8. Tiempo del pulso en alto

En la figura 3.10 se muestra las tres ondas a la salida de los transformadores por el lado de alta tensión, se observa la característica de forma de onda no es sinusoidal, sin embargo proporciona la tensión requerida.

Figura 3.10. Formas de onda de tensión de fase a neutro a la salida del inversor

La tensión de fase a neutro en la conexión estrella debe ser del orden de 128 V de esta forma la tensión entre fases debe ser _√ 128V = 220 V.

Al colocar el selector manual en la posición de conexión estrella, la señal de tensión entre fases es la que muestra la figura 3.12, en el cual se puede observar que la forma de onda tampoco es completamente sinusoidal, sin embargo también proporciona los niveles de tensión requeridos.

Figura 3.12. Forma de onda de tensión entre fases (conexión estrella)

En la figura 3.13 se observa cómo se mide la tensión RMS de la forma de onda mostrada en la figura anterior 3.12. La tensión que se muestra en el recuadro Probe Cursor en la figura 3.13 es indicada por (dif=) que es 223.596 V

Figura 3.13. El recuadro superior muestra la tensión RMS en el cursor A1

En la figura 3.14, muestra la forma de onda de una fase en conexión estrella, medida de fase a neutro. Se observa que en el recuadro Probe Cursor el cursor A1 se

encuentra en el tiempo: 547.24 ms de la simulación indicando una tensión de 2.2862 V y el cursor A2 se encuentra en el tiempo: 530.641 ms de la simulación

3.2 ESTUDIO ECONÓMICO

3.2.1 COSTO DEL INVERSOR

Este es el costo del inversor con precios de mayo del 2014

CONCEPTO CANTIDAD CARACTERISTICA $ M.N. TOTAL

$M.N. COTIZACIÓN POR MAYOREO *

CANTIDAD PRECIO

UNITARIO TOTAL $M.N. Acumulador de

ciclo profundo 4 LTH 12V 1630 6520 6520

Resistencias

varias 220 220 220

Transistor NPN 6 2N3055 47 282 2N3055 (100 artículos) 6 29.45 177

Capacitores

varios 360 360 360

MOSFET 16 IRFP250 56 896 IRFP250 (100 artículos) 16 21 361

Trasformador monofásico 24 a 127 V

3 2kVA 1130 3390 Transformadores (9

artículos) 3 990 2970

Inductores varios

120 120 120

Materiales varios para armarlo

850 850 850

TOTAL 12638 TOTAL 11578*

De acuerdo con los precios desglosados en esta hoja el costo del inversor es de $12638.00 pesos.

3.2.2 USO DEL INVERSOR

El pronóstico de uso del inversor diseñado en este proyecto es: utilizarlo dos veces por semana durante 3hrs alimentando a una carga que demanda 15 amperes en cada hora lo que resulta en 45 amperes-hora.

El tiempo de descarga entre los cuatro acumuladores es de 9.5 h o r a s por lo que se descarga 31.5% cada vez que es utilizado. Esto de acuerdo con ANEXO E la especificación del fabricante (LTH), su gravedad de desgaste es de 1.225 donde el 0% de carga equivale a 1.140 de desgaste y el 100% de carga equivale a 1.280, según estos valores el banco de acumuladores se encuentra en un parámetro de desgaste de uso muy bueno, por consiguiente su tiempo de vida es de 3500hrs de vida.

El desgaste por uso real se determina a partir del tiempo de filtrado del aceite de un transformador de 500 kVA, el cual contiene 730 litros.

El filtro tiene una capacidad de filtrar 500 litros por hora, lo que implica que le tomara 87 minutos para el filtrado de 730 litros de aceite.

Dado que se pronosticó su uso durante 3 horas (180 minutos), esto significa que el inversor tiene carga para filtrar un transformador más de similares características 750 litros (500 kVA), implicando 2 horas 54 minutos (174 minutos) entre los dos trasformadores

La cantidad de recarga que necesita un acumulador se pude determinar midiendo la gravedad específica del electrolito con un hidrómetro. La siguiente tabla muestra el

Tabla 3.2 Tabla de gravedad de descarga del acumulador (LTH) de [9]. Estado de carga aproximado

Estado Porcentaje de carga Gravedad especifica

Cargado 100% 1.280

70% 1.225

50% 1.200

25% 1.170

Descargado 0% 1.140

3.2.3 COMPARACIÓN DEL INVERSOR CON UNA PLANTA DE EMERGENCIA A GASOLINA

Comparando con la opción de una fuente secundaria o externa como una planta de emergencia a gasolina, se tiene que, dicha planta gastaría 10Lt de gasolina por semana, entonces se tiene que comprar 10 litros de gasolina por semana que es igual $120.00 M.N. (considerando el precio de la gasolina a $12.00 M.N por litro). Al mes habremos invertido $480.00, en 8 meses habremos invertido en gasolina $3,840.00, se tiene que, sumando el costo de una planta de emergencia ($9,300.00) a lo invertido en gasolina durante 8 meses tenemos una cantidad de $13,140.00 pesos. De acuerdo con el tema 3.2.1 el inversor tiene un costo de $12,638.00.

Restando el costo del inversor a lo invertido en una planta de emergencia usándola periódicamente durante 8 meses, habremos sobrepasado el costo del inversor por $457.00.

3.2.4 TAZA DE AMORTIZACIÓN

CAPÍTULO 4 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

4.1 CONCLUSIONES

Se diseñó un inversor de corriente eléctrica con conexión por fases a la salida, con las opciones de conexión estrella y delta. Este inversor tiene la característica de ser robusto pero compacto y de alto rendimiento. Se realizó la simulación con resultados exitosos en el software OrCad Pspice 16.0.

El inversor consta de tres circuitos de disparo, secuenciados por arreglos RLC para desfasarlos 120° eléctricos entre ellos, estos controlan la conmutación de 3 puentes H de MOSFET’s que a su vez, a la salida de cada uno está conectada a un transformador monofásico usando como elevador, con una relación de transformación de 1:9.2 y derivación central del lado de alta tensión. Dicho transformador proporciona una señal de 220 V RMS entre fases. Y con una potencia total del banco de transformadores de 4 kW. Estos datos se obtuvieron de la simulación virtual del inversor.

Este inversor por ser diseñado con elementos estáticos no requiere mayores cuidados, que el mantenimiento ordinario de una tarjeta electrónica.

Se concluye como viable el inversor diseñado en este proyecto, ya que el estudio económico así lo demuestra, por lo que se concluye este proyecto como finalizado satisfactoriamente.

4.2 RECOMENDACIONES

Recomendaciones para el inversor en caso de realizarse el prototipo real;

 Cuidar los tiempos de carga y descarga del mismo, quizás implementando una alarma de nivel de carga en los acumuladores.

 Realizar el mantenimiento de los acumuladores cono lo indica el fabricante.

 Por el lado del inversor no se debe utilizar con cargas que sobrepasen los 4 kW.

4.3 TRABAJOS FUTUROS

Circuito de control inconcluso

El circuito de control tiene como objetivo dosificar el suministro de corriente que proporcione el inversor a la carga, según lo demande la propia carga. Si se controla la corriente, por consecuencia se controla también la potencia, dando como resultado un menor desgaste en todos sus componentes del inversor.

Al tener menor desgate de los componentes, se aumenta el tiempo de vida útil del inversor en general, además al disminuir cantidad de calor a disipar, puede reducir el tamaño del inversor en su diseño, porque se implementarían disipadores de calor más pequeños.

El circuito de control no se llevó acabo en este trabajo debido a su complejidad y al tiempo que lleva el diseño de un circuito electrónico como este.

Posibles implementaciones

 Ya que el proyecto es altamente viable se pretende realizar el prototipo real.

 Como se habló en el planteamiento del problema este inversor podría ser empleado en mantenimiento a subestaciones eléctricas proporcionando la suficiente energía eléctrica por un periodo lo suficientemente largo para terminar dicha actividad (limitado a 3 horas) teniendo en cuenta que los acumuladores no lleguen a una descarga muy profunda.

REFERENCIAS

[1] Bretón S. A. A. (2003) “Diseño y construcción de un Inversor trifásico multinivel De cuatro etapas para Compensación armónica y de Reactivos” Tesis de licenciatura publicada, Pontificia Universidad Católica de Chile, Santiago de Chile.

[2] Ruiz C. R. (2012) “Diseño, simulación y construcción de un Inversor trifásico

multinivel” Tesis de licenciatura no publicada, Universidad Nacional del Callao,

Lima Perú.

[3] Vargas S. A. R. (2010)

“

Trifásico orientado a redes de distribución” Tesis de licenciatura publicada, Universidad de chile, Santiago de Chile.

[4] Rodriguez, J. Lai, & Peng F. Z. (2002) “Multilevel Inverters: A Survey of Topologies, Controls, and Applications” IEEE Transactions on, Industrial Electronics, Vol. 49 Num. 4.

[5] Spinadel E. (1986) “Transformadores, segunda edición” España, Nueva librería.

[6] Artículos Wikieymfi (2014) “Para conocer las magnitudes comerciales de los resistores”. Revisada en (Febrero del 2014). Recuperado de http://wikieymfi.wikispaces.com/Nomenclatura +circuitos

[7] Burgos M. C. D. (2013) “Estimación del estado de carga para un Banco de baterías basada en modelación Difusa y filtro extendido de Kalman” Memoria para Ingeniería publicada, Universidad de Chile, Santiago Chile.

[9] Empresa Victron Energry (2014) Para consultar información relativa a el proveedor de los acumuladores de gel y AMG “Baterías Gel y AGM”. Revisada en (Noviembre del 2014). Recuperada de http://www.victronenergy.com es/batteries/gel%20and%20agm%20batteries/

[10] Empresa Victron Energry (2014) Para conocer las especificaciones delos

acumuladores de gel y AMG “Data sheet Baterías Gel y AMG Victron Energy”

Revisada en (Noviembre del 2014). Recuperada de

http://www.victronenergy.com/upload/documents/Datasheet-GEL-and-AGM-Batteries-EN.pdf

[11] Empresa Victron Energry (2014) Para conocer el precio del acumulador BAT412800080 “$ 4,241.20” Revisada el (11 de Noviembre del 2014) Recuperada de http://www.victronenergy.com/upload/documents/ WEB_Pricelist-Victron-2014-Q3-C-Euro.pdf

[12] Chapman S. J. (2012) “Electric Machinery Fundamentals” Singapur, McGraw

Hill intternational

[13] Pulido A. M. (2006) “calculo fácil de transformadores y autotransformadores

monofásico y trifásicos de baja tensión.” México, Alfaomega Marcombo.

ÍNDICE DE TABLAS

ÍNDICE DE IMÁGENES

Figura 1.1. Inversor trifásico VSI de dos niveles en puente completo. ... 1

Figura 1.2. Esquema de un Inversor de (a) dos niveles, (b) tres niveles y (c) m niveles ... 4

Figura 1.3. Onda de tención multinivel, usando 11 niveles ... 5

Figura 1.4. Puente “H” Generalizado, con n fuentes y m = 2n+1 niveles ... 6

Figura 1.5. Configuración de un inversor de puente "H" de tres niveles ... 7

Figura 1.6. Configuración de un inversor de 2 etapas con dos puentes H en cascada y 5 niveles ... 8

Figura 1.7. Esta figura muestra una fase de un inversor en configuración puentes H en cascada, 4 etapas y 9 niveles. La forma de onda corresponde a la salida de Vac ... 10

Figura 1.8. Inversor de puentes H en casca con fuente común conectado a un transformador y su forma de onda ... 13

Figura 1.9.Topología de un inversor puente H en cascada de 4 etapas ... 14

Figura 2.1. Obtención de disparos y forma de onda ... 19

Figura 2.2.Obtención de disparos y forma de onda de la tensión ... 20

Figura 2.3. Transformador monofásico tipo ventana ... 22

Figura 2.4. Transformador monofásico tipo seco acorazado ... 23

Figura 2.5.Transformador trifásico tipo seco de tres columnas ... 23

Figura 2.6.Transformador trifásico tipo columna ... 24

Figura 3.1.Circuito de disparo utilizando semiconductores 2N3055 como interruptores ... 333

Figura 3.2.Forma de onda del circuito de disparo ... 34

Figura 3.3. Esta figura muestra los milisegundos de diferencia entre los cursores A1 y A2 ... 34

Figura 3.4. Esta imagen muestra el circuito inversor diseñado ... 35

Figura 3.5. Circuito diseñado completo con salida en estrella ... 36

Figura 3.6. Circuito diseñado completo con salida en delta ... 37

GLOSARIO DE TÉRMINOS TÉCNICOS Y SIGLAS

Vcd o VCD

Vca

Sn

Una conexión trifásica son tres corrientes alternas de igual

frecuencia y amplitud (y por consiguiente, valor eficaz) que

presentan una cierta diferencia de fase entre ellas, en torno

a 120° eléctricos de una corriente con respecto a otra corriente

y cada corriente recibe el nombre de fase.

Corriente alterna.

Corriente directa.

Pulse Width Modulation (Modulación de Ancho de Pulso).

Sinusoidal Pulse Width Modulation (Modulación en Anchura

de Pulsos Sinusoidal).

Es una conexión eléctrica de elementos de conmutación, que

permite el paso de la corriente en sentido positivo y negativo

alternadamente.

Tensión del capacitor.

Tensión de salida.

Tensión de corriente directa.

Tensión de corriente alterna.

V, A y W

Hz

Ah

Wh

RMS

Volts, Amperes, y Watts respectivamente.

Hertz (Numero de ciclos por segundo).

Amper-hora.

Watt-hora.

ANEXO A

ANEXO B

ANEXO C

ANEXO D

ANEXO E