SIMULACION DE UNA INTERFACE DE ELECTRONICA DE POTENCIA ALIMENTADA CON UNA CELDA DE COMBUSTIBLE

ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA

MECÁNICA Y ELÉCTRICA

UNIDAD

͞

ZACATENCO

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“

SIMULACIÓN DE UNA INTERFACE

DE ELECTRÓNICA DE POTENCIA

ALIMENTADA CON UNA CELDA DE

COMBUSTIBLE”

México, D.F.

SEPTIEMBRE -2009

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Q U E P A R A O B T E N E R E L T Í T U L O D E

I N G E N I E R O E L E C T R I C I S T A

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A

:

A Dios

A mis padres Julio y Juana por sus palabras de aliento,

por sus sabios consejos, por su infinito amor y por creer

siempre en mi.

A mi esposa Dulce María quien supo esperar con gran

paciencia la culminación de este trabajo para verme alcanzar

Esta tesis esta dedicada a mis Padres, Julio y Juana, les agradezco su apoyo,

su guía y su confianza en la realización de mis sueños. Soy afortunado por

contar siempre con su amor, comprensión y ejemplo. Esta tesis es suya.

Agradezco a Dios por llenar mi vida de dicha y bendiciones.

A mis profesores, que compartieron conmigo sus conocimientos y

experiencias.

De igual manera a las personas que han estado al pendiente de mi, a mi

familia en general.

Y muy en especial a Dulce María García Aranda por todas las palabras de

aliento y motivación, por impulsarme a cumplir mis metas y por creer en mí.

Al,

M. en C. Manuel García López

primeramente por ser mi director de

tesis, por todos sus acertados comentarios y sabios conocimientos, por su

interés y colaboración en la estructura de este trabajo.

Al

M. en C. Javier Herrera Espinosa

por ser mi coasesor de tesis

,

por todo

tu apoyo en el desarrollo de este trabajo, por tus conocimientos,

observaciones y tú sincera amistad.

El presente trabajo es

producto de los tópicos de

control electrónico de

motores ofrecidos por la

academia de electrónica de

IV

Í

NDICE DE

C

ONTENIDO

Pág.

CONTENI

_{DO………..}

ÍNDICE DE FIGURAS Y TABLAS………

GLOSARIO DE TÉRMINOS………

RESUMEN……….

..

CAPÍTULO I. INTRODUCCIÓN

_……….

1.1. Generalidades……… 2

1.2. Objetivo……… 4

1.3. Justificación. ……….. 4

1.4. Estado del arte……….. 5

1.4.1. El consumo mundial de las fuentes renovables y su papel en la generación de electricidad: situación actual y nuevas tendencias……..… 5

1.4.2. Actualidad de las celdas de combustible………. 6

1.4.3. Sistemas de distribución de energía alimentados con fuentes renovables (SDE)……….. 8

1.4.3.1. Sistemas fotovoltaicos……….. 9

1.4.3.2. Sistemas eólicos………. 10

1.4.3.3. Sistemas con microturbinas……… 11

1.4.3.4. Sistemas con celdas de combustible………. 12

1.5. Estructura de la tesis……… 13

1.6. Alcances………. 13

CAPÍTULO II. PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO

DE LAS CELDAS DE COMBUSTIBLE………...

2.1. Introducción……….. 15

2.2. Tipos de celdas de combustibles………. 17

2.3. Aspectos teóricos……… 18

2.3.1. Operación de la celda de combustible……… 18

2.3.2. Marco teórico……….. 20

2.4. Componentes que conforman la pila……….. 27

CAPÍTULO III. INVERSOR TRIFÁSICO Y TÉCNICA DE

MODULACIÓN SPWM

_………

_………

.1. Introducción……… 29

3.2. Clasificación de los inversores………. 29

3.3. Principio de funcionamiento del inversor trifásico……… 31

3.3.1. Parámetros de rendimiento del inversor trifásico……….. 39

3.4. Técnicas de modulación PWM……….. 40

3.4.1. Generalidades……….. 40

3.4.2. Conceptos básicos de la técnica SPWM………. 41

3.4.2.1. SPWM para un puente H.………. 43

V

trifásico― a uina asíncrona en Matla /“i ulink……….. 48

4.2. Bloque 1. Celda de combustible……… 49

4.3. Bloque 2. Inversor trifásico IGBT/Diodo……….... 53

4.4. Bloque 3. Carga máquina asíncrona……… 57

CAPÍTULO V. RESULTADOS Y CONCLUSIONES.

5.2. Simulación del inversor trifásico IGBT/Diodo………. 65

5.2.1. Inversor trifásico alimentado con una fuente de C.D y con carga asíncrona……… 66

5.2.2. Inversor trifásico alimentado con celdas de combustible y con carga asíncrona……….... 71

5.2.3. Inversor trifásico con filtro alimentado con Celdas de combustible y con carga asíncrona……… 73

5.3. Análisis de la Distorsión Armónica Total THD del inversor trifásico alimentado con fuente de C.D y Celdas de combustible con carga asíncrona……… 77

5. . Conclusiones……….. 79

REFERENCIAS

_……….

VI

Í

NDICE DE FIGURAS Y TABLAS

Pág.

CAPÍTULO I. INTRODUCCIÓN

_……….

Figura 1.1. Evolución de las fuentes de energía primaria a nivel mundial, 1850-2000……….. 3

Figura 1.2. Estructura de la oferta mundial de energía primaria, 2000……… 5

Figura 1.3. Topología trifásica de una fotocelda conectada con un transformador de la línea-frecuencia………...... 9

Figura 1.4. Topología de la electrónica de potencia de un generador síncrono (sistema eólico)……….. 10

Figura 1.5. Topologías de la electrónica de potencia a un sistema con microturbinas (a) Rectificación activa; (b) Rectificación pasiva……… 11

Figura 1.6. Topología del convertidor conectado en cascada de C.C—C.C y de C.C—C.A……… 12

Tabla 1.1. Tipos de conversión de la energía que se utilizan para los (S.D.E.)……… 8

CAPÍTULO II. PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO DE LAS

CELDAS DE COMBUSTIBLE……….

Figura 2.1. Siste a ásico de una Celda de Co usti le………. 15

Figura 2.2. Funciona iento ásico de una Celda de Co usti le……… 18

Figura 2.3. Sistema Celda de Combustible………. 20

Figura 2.4. Reacción Electroquímica……….. 24

Figura 2.5. Gráfica Densidad Corriente – Voltaje………. 26

Figura 2.6. Sistemas que conforman la celda de combustible………. 27

Tabla 2.1. Tipos de celdas de Combustible……… 17

Tabla 2.2. Elementos básicos de una celda de combustible……….. 19

CAPÍTULO III. INVERSOR TRIFÁSICO Y TÉCNICA DE

MODULACIÓN SPWM

_……….

Figura 3.1. Clasificación de los inversores fuente de voltaje (VSI)………. 29

Figura 3.2. Diferentes topologías de los inversores de voltaje………. 30

Figura 3.3. Inversor trifásico……… 31

Figura 3.4. Formas de onda para conducción a 180°………. 32

Figura 3.5. Tipos de conexiones………. 34

Figura 3.6. Circuitos equivalentes……… 34

Figura 3.7. Tensiones de fase del inversor………. 35

Figura 3.8. Tensiones de línea del inversor……… 36

Figura 3.9. Inversor trifásico con carga RL………. 37

Figura 3.10. Técnica de modulación de los inversores……….. 40

Figura 3.11. Generación del SPWM (a) Comparación de señales de alta y baja frecuencia, (b) Régimen de conmutación resultante debido a la comparación………. 42

Figura 3.12. Tiempo muerto (Deadtime - DT) en los pulsos polares de salida de un convertidor de dos niveles……… 42

Figura 3.13. Modulación por ancho de pulso senoidal para un inversor puente H……….. 44

Figura 3.14. Modulación por ancho de pulso senoidal para un inversor trifásico……… 45

VII

Figura 4.3. Bloque 1.Celda de Combustible……….. 49

Figura 4.4. Cuadro de parámetros………. 49

Figura 4.5. Circuito equivalente de una celda de combustible………. 50

Figura 4.6. Curva característica de una celda de combustible………. 51

Figura 4.7. Símbolo del IGBT/Diodo……… 53

Figura 4.8. Cuadro de diálogo y de Parámetros……… 53

Figura 4.9. Inversor trifásico IGBT/Diodo……….. 54

Figura 4.10. Generador PWMS………. 55

Figura 4.11. Cuadro de dialogo y parámetros………. 55

Figura 4.12. Máquina asíncrona………. 57

Figura 4.13. Sistema eléctrico de la maquina asíncrona……… 58

Figura 4.14. Cuadro de configuración………. 60

Figura 4.15. Cuadro de parámetros……….. 61

Tabla. 4.1. Señales de salida……….. 52

Tabla 4.2 Marco de referencia………. 57

Tabla 4.3. Parámetros de la máquina asíncrona referidas al estator………. 59

CAPITULO V. RESULTADOS Y CONCLUSIONES

_……….

Figura 5.1. Etapas de las simulaciones………. 64

Figura 5.2. Inversor trifásico alimentado con fuente C.D y con carga asíncrona……….. 66

Figura 5.3. Señal de Voltaje del estator……….. 67

Figura 5.4. Señal de corriente del rotor……….. 67

Figura 5.5. Señal de corriente del estator……….. 68

Figura 5.6. Señal de salida del par electromagnético……… 68

Figura 5.7. Señal de salida de las RPM………. 69

Figura 5.8. Señal de Voltaje de línea ………. 69

Figura 5.9. Señal de Voltaje Polar +……… 70

Figura 5.10. Señal de Voltaje Polar - ………. 70

Figura 5.11. Inversor trifásico alimentado con celdas de combustible y con carga asíncrona………… 71

Figura 5.12. Señal de corriente del rotor……… 72

Figura 5.13. Inversor trifásico con filtro alimentado con Celdas de combustible y carga asíncrona…. 73 Figura 5.14. Señal de Voltaje del estator……… 74

Figura 5.15. Señal de corriente del rotor………. 74

Figura 5.16. Señal de corriente del estator……… 75

Figura 5.17. Señal de salida del par electromagnético………. 75

Figura 5.18. Señal de salida de las RPM………. 76

Figura 5.19. Señal de Voltaje de línea ……….. 76

Figura 5.20. THD=91.53% del inversor alimentado con fuente de C.D y carga asíncrona………. 77

Figura 5.21. THD=1339.86% del inversor alimentado con celdas de combustible y carga asíncrona……….. 77

IX Asociado directamente al desarrollo de la sociedad, la cultura y la tecnología, se encuentra el empleo de energía, desde formas elementales como la combustión de materiales minerales, fósiles y vegetales hasta en la forma contemporánea por excelencia: la energía eléctrica. La demanda creciente en aplicaciones cada vez más exigentes, y factores económicos y ecológicos, han provocado la necesidad de diseñar y construir equipos que transformen la energía eléctrica en forma eficiente. El estudio de los equipos que convierten, mediante el empleo de semiconductores y técnicas de control automático, la energía eléctrica modificando sus características de tensión y/o frecuencia, centrando la atención en la comunidad científica y técnica. Busca desarrollar métodos que permitan que esta tarea se lleve a cabo con altos índices de la ciencia, bajo nivel de mantenimiento, tasa de falla reducida, alta densidad energética y costo económico reducido.

En esta tesis se aborda, el modelado de una interface de electrónica potencia alimentada por una celda de combustible, un análisis de la modulación PWM y una

nueva metodología de modelado y simulación.

En el primer capítulo se desglosan los conceptos relacionados con la conversión de energía mediante circuitos electrónicos conmutados. Se lleva a cabo un repaso cronológico e histórico de las tendencias en los esquemas de alimentaciones.

En el segundo capítulo se describe el principio de funcionamiento de las celdas de combustible seguidamente de su clasificación. Posteriormente se muestran los fundamentos químicos que involucran a las reacciones así como también los componentes que lo conforman.

El tercer capítulo tiene por objetivo describir el funcionamiento del inversor trifásico de dos niveles, así como su clasificación. Posteriormente se desglosan las estrategias de control utilizadas para la operación del inversor que en este caso es la modulación PWM.

El cuarto capítulo tiene por objetivo la descripción técnica de los componentes del sistema.

CAPÍTULO

I

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2

1.1. Generalidades

Quizás el momento más decisivo para la humanidad haya sido el descubrimiento del fuego, gracias a él, la humanidad comenzó a controlar y modificar procesos que hasta ese momento dependían únicamente de la naturaleza. Desde entonces la energía ha sido un elemento indispensable en la satisfacción de las necesidades cotidianas de todas las formas de organización social, partiendo del uso de equipos elementales, como la cocción de alimentos con los fogones de tres piedras, hasta los sofisticados aparatos electrónicos dedicados exclusivamente al ocio y entretenimiento en las sociedades post-industriales [1].

Desde la perspectiva humana, la energía es entonces, ubicua y permanente. Ubicua, porque el hombre en tanto ente biológico y social depende de ella, ya sea por la radiación solar indispensable para las funciones biológicas o para los ciclos agrícolas, o como la fuerza motriz del viento o del agua requerida para impulsar los antiguos molinos de granos, o los modernos equipos de generación eléctrica. Y es permanente, porque las necesidades pasadas, presentes y futuras de energía son determinadas y conducidas por tres factores principales: el crecimiento de la población, el desarrollo económico y el progreso tecnológico [2].

La introducción de la electricidad fue quizás el factor más importante para que esta transición ocurriera, ya que podía ser fácilmente convertida en luz, calor o trabajo en los lugares de uso final. Una segunda innovación fue el motor de combustión interna, el cual revolucionó los patrones de transporte individual y colectivo. Sin embargo, junto con esto se dio una creciente dependencia del petróleo como el energético primario que cubriría las necesidades cada vez mayores de combustibles para generación eléctrica y para transporte.

La figura 1.1 muestra el panorama energético mundial a partir de 1850. En ella puede verse claramente la sustitución paulatina de la biomasa tradicional por los combustibles fósiles.

3 Figura 1.1. Evolución de las fuentes de energía primaria a nivel mundial, 1850-2000.

Para el siglo XXI aparecen otras formas de producir la energía eléctrica, a las que se les

conoce co o fuentes li pias de conta inación .

Algunas de ellas son:

• Sistemas fotovoltaicos.

• Sistemas eólicos.

• Sistemas con Microturbinas.

• Sistemas con celdas de combustible.

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4

1.2. Objetivos.

Desarrollar un modelo, el cual nos permita entender y comprender el funcionamiento de un inversor trifásico de dos niveles alimentado con celdas de combustible.

Analizar el comportamiento del sistema, bajo diferentes condiciones de carga.

1.3. Justificación.

Debido a la necesidad que se tiene en la industria eléctrica de tener fuentes no contaminantes que produzcan energía eléctrica, y con el objetivo de analizarlas la presente tesis enfoca su importancia en:

Simular el comportamiento bajo carga de la celda, cuando se interfacea con un circuito trifásico de dos niveles para producir energía eléctrica de C.A.

Sentar las bases necesarias para el entendimiento de este tipo de sistemas

celda de co usti le―interface de potencia―carga) para su futura

5

1.4. Estado del arte.

1.4.1. El consumo mundial de las fuentes renovables y su papel en la

generación de electricidad: situación actual y nuevas tendencias.

Las transiciones sucesivas de la estructura energética mundial ocurridas a lo largo del siglo XX han creado un panorama muy diferente al que predominaba en 1850, quizás el cambio más dramático ha sido la participación de las fuentes renovables de energía. De constituir casi el 90% de la oferta energética mundial en 1850, los energéticos renovables pasaron a conformar únicamente el 14% de esta oferta en el año 2000 [3], como lo muestra la figura 1.2.

1/ incluye leña y carbón vegetal

2/ incluye residuos agrícolas y desechos sólidos municipales

Figura 1.2. Estructura de la oferta mundial de energía primaria, 2000.

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6

1.4.2. Actualidad de las celdas de combustible.

El carbón, petróleo y gas natural (hidrocarburos) son las fuentes principales de energía de las cuales dependemos en gran medida. Sin embargo, las evidencias de que su agotamiento va por senda irreversible son cada vez más abundantes y contundentes. Las fuentes renovables de energía han surgido como una respuesta alternativa. Durante las tres últimas décadas se han producido enormes avances, no solamente en lo tecnológico sino también en generar las condiciones adecuadas para su diseminación [4].

Es así que las industrias energéticas de mayor crecimiento durante la última década han sido, precisamente, las energías solar y eólica con crecimientos superiores a 20% al año. Durante esta última década ha surgido un importante interés por la promoción de las llamadas celdas de combustible, que no son otra cosa que sistemas en los cuales se utiliza el hidrógeno como combustible el cual al mezclarse con oxígeno produce electricidad. Las celdas de combustible son también llamadas pilas de combustible por su similitud con las baterías.

El uso del hidrógeno como combustible no es una novedad en el mundo. Viene utilizándose desde hace décadas en la industria satelital. Sin embargo, en la actualidad y a la luz de la realidad cada vez más clara del agotamiento del petróleo, las celdas de combustible resultan sumamente importantes en especial para sustituir a los hidrocarburos en el transporte, quizás el sector más crítico y sensible en una economía del petróleo como la nuestra.

El transporte requiere de fuentes de energía fácilmente transportables con alto rendimiento por unidad de energía primaria. El hidrógeno, a diferencia de las otras fuentes alternativas de energía renovables, es fácilmente envasable y transportable

por ser un fluido de poco peso , y por tanto tiene un enor e potencial para ser

utilizado como fuente de energía en el transporte.Otro tema importante relacionado con las celdas de combustible es que el hidrógeno, fuente de energía para el uso de estas celdas, se encuentra en forma abundante en el universo, aunque no en forma libre. Se puede extraer de la naturaleza, y si se tiene la tecnología para su separación de los productos primarios, ésta es una fuente inagotable de energía.

7

futuro cercano vehículos a hidrógeno en el mercado mundial, inclusive con vehículos ya en funcionamiento como casos piloto. Islandia, en una mirada estratégica, está haciendo una millonaria inversión en la conversión de su transporte público a un transporte en base a hidrógeno, convirtiéndose tal vez en la primera economía en hidrógeno del mundo.

La dificultad y el costo de su producción están precisamente en separarlo de las fuentes primarias. En la actualidad se conocen dos formas de producción de hidrógeno: por reformación, en la cual éste es obtenido de los hidrocarburos, separando el carbono del hidrógeno (uno de los más utilizados es el gas natural); y otra forma de obtenerlo es por electrólisis del agua, siendo la segunda opción más costosa que la primera.

Otro aspecto que lo presenta quizás un tanto complicado o costoso es el hecho de que la producción del hidrógeno a partir de la materia primaria (hidrocarburos o agua) necesita de importantes cantidades de energía. Otra forma novedosa de producción (el de bio-hidrógeno) en plena etapa de investigación se presenta a través de algas o bacterias que lo sintetizan al digerir residuos orgánicos, preferentemente agrícolas.

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8

1.4.3. Sistemas de distribución de energía alimentados con fuentes

renovables (SDE).

Los sistemas SDE pueden ser alimentados con diferentes fuentes renovables de energía tales, como:

Sistemas fotovoltaicos. Sistemas eólicos.

Sistemas con Microturbinas.

Sistemas con celdas de combustible.

La energía producida mediante estas fuentes tiene que ser convertida a C.A. Para ello se emplean diferentes topologías de electrónica de potencia (ver tabla 1.1) [5].

En los apartados subsecuentes se detallara cada S.D.E. con sus correspondientes topologías de electrónica de potencia.

Tabla 1.1. Tipos de conversión de la energía que se utilizan para los S.D.E.

Conversión de la energía Nombre del módulo

C.A―C.C Rectificador

C.C―C.A Inversor

C.C―C.C Convertidor

9

1.4.3.1. Sistemas fotovoltaicos.

La tecnología fotovoltaica implica el convertir energía solar directamente en energía eléctrica. La eficiencia de una celda solar es típicamente alrededor 10%-15%. Por otra parte, la salida actual del sistema del fotovoltaico depende sobre todo de la radiación solar disponible [5].

El requisito principal de las interfaces electrónicas es convertir el voltaje de C.C generado en C.A conveniente para uso y utilidad del consumidor. Generalmente, antes de convertirlo a C.A se requiere convertidores de C.C―C.C antes de convertirlos a la C.A compatible para uso general. Los módulos de la fotocelda están conectados , en orden para producir cantidades grandes de electricidad.

En la figura 1.3 se muestra una topología típica de un inversor trifásico aplicada a una fotocelda. La salida de C.C del arreglo fotovoltaico está conectada a través de un capacitor de filtro. La salida del capacitor conecta con la entrada de un inversor trifásico de voltaje-frecuencia. La salida de cada fase de los convertidores está conectada con un inductor y un capacitor para limitar los armónicos de las altas frecuencias inyectados a un sistema de C.A.

Un voltaje sintetizado de la salida de la C.A es producido apropiadamente para el control de los interruptores y un transformador trifásico se utiliza para conectar la energía con la utilidad del usuario.

Figura 1.3. Topología trifásica de una fotocelda conectada con un transformador de la línea-frecuencia.

Inversor trifásico

Transformador

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1.4.3.2. Sistemas eólicos

Las turbinas de viento transforman energía cinética en energía mecánica que a su vez se puede convertir en energía eléctrica con un generador. La energía se genera normalmente con un generador de inducción o con un generador síncrono. Los generadores síncronos se interconectan típicamente al circuito de electrónica de potencia. La salida de esta energía es típicamente entre 10kW a 2.5 MW y la energía eólica se captura usando engranes que están conectadas con el rotor de un generador. Se genera la energía solamente cuando el viento sopla [5].

Una topología típica de la electrónica de potencia que se utiliza para un generador síncrono de imán permanente se muestra en la figura 1.4. El voltaje trifásico de la salida es variable y la frecuencia de la turbina se rectifica usando un puente del diodo. Con el cambio en la velocidad del generador síncrono, el voltaje en el lado de la C.C. del rectificador de diodo cambia. Para mantener un voltaje constante de C.C. se debe acoplar un inversor que hace la función de un interruptor.

La energía requerida para el generador de inducción de doble alimentación (DFIG por siglas en ingles) proviene de un convertidor C.A―C.C―C.A con un control de modulación de ancho de pulso (PWM por sus siglas en ingles). El arreglo del convertidor esta hecho con IGBT`s.

La bobina del estator está conectada directamente a la onda senoidal de 60Hz, mientras que el rotor se alimenta en una frecuencia variable a través del convertidor de C.A―C.C―C.A. Una topología eléctrica típica de DFIG, utiliza un arreglo del convertidor con el rectificador adosado mutuamente al inversor que comparte una C.C. El lado de la C.A del rectificador está conectado con el rotor de la máquina de inducción vía anillos colectores; la salida del inversor se ata a la rejilla para uso general. Este sistema se puede clasificar como frecuencia constante o velocidad-variable.

Figura 1.4. Topología de la electrónica de potencia de un generador síncrono (sistema eólico).

Generador Síncrono

Rectificador elevador

Inversor

Transformador

11

Las Microturbinas son obtenidas de los aviones y los helicópteros, desarrollan y modifican de acuerdo a los requisitos particulares para los usos eléctricos del usuario. La potencia de salida está entre 30 kw y 400 kw. Éstos se utilizan para la generación de corriente eléctrica que a su vez se usa para el enfriamiento, calefacción o combinadas [5].

Las microturbinas modernas han progresado dramáticamente con los componentes avanzados tales como inversores, cambiadores de calor (recuperadores), electrónica de potencia, comunicaciones, y sistemas de control.

En la mayoría de las configuraciones, el eje de la turbina hace girar al rotor hasta 120,000 RPM. La salida de alta frecuencia del generador primero se rectifica y en seguida se convierte a la corriente alterna.

Hay dos topologías básicas en la electrónica de potencia que se pueden utilizar para los sistemas con microturbinas. La primera topología (ver figura 1.5a) implica dos convertidores con un bus común de C.C uno para convertir la C.A de alta frecuencia a la C.C y el segundo es para la conversión de C.C—C.A y conseguir los 60 hertz compatible para uso general. La segunda topología (ver figura 1.5b) es el cambiador de frecuencia directa de C.A—C.A por la forma del convertidor se le puede llamar cicloconvertidor o convertidor matriz.

Figura 1.5. Topologías de la electrónica de potencia a un sistema con microturbinas (a) Rectificación activa; (b) Rectificación pasiva.

Microturbina

Rectificador PWM Bus común de C.C. Inversor PWM

Transformador

Trifásico Utilidad

Generador de

alta frecuencia

Microturbina

Generador de

alta frecuencia

Puente rectificador de Diodos Bus común de C.C. Inversor PWM

Transformador

Trifásico Utilidad

a)

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12

1.4.3.4. Sistemas con celdas de combustible.

Las celdas de combustible que se están desarrollando actualmente se pueden utilizar como sustitutos posibles para el motor de combustión interna en vehículos así como en los usos inmóviles para la producción de energía eléctrica [5].

Una pila de combustible es un dispositivo electroquímico que produce electricidad sin ninguna etapa intermedia de la conversión de energía. La cantidad de energía de una pila de combustible típica es de 200 W-h/L, que es casi diez veces que de una batería. La eficacia de una pila de combustible es también alta, en la gama es del 40% a 60%. Si el calor residual generado por la pila de combustible se utiliza para la cogeneración, la eficacia total de tal sistema podría estar como en un 80% .Las pilas de combustible se pueden clasificar en cinco diversas categorías basadas en la química del electrólito.

Un ejemplo de un sistema con celdas de combustible se muestra en la figura 1.6. En esta figura se observa que el apilado de la celda de combustible se conecta a una topología de electrónica de potencia interconectándose a un sistema de uso general trifásico. La topología de electrónica de potencia utiliza un convertidor aislado del puente de C.C —C.C a un inversor trifásico de voltaje.

Figura 1.6. Topología del convertidor conectado en cascada de C.C—C.C y de C.C—C.A.

Celda de combustible

Convertidor Conexión de C.C Inversor trifásico C.C―C.C

Transformador de alta frecuencia

13

1.5. Estructura de la tesis.

En el capitulo 1 se mencionan las generalidades y se define los objetivos,

justificación del problema, el estado del arte y la estructura de la tesis.

En el capitulo 2 muestra el principio de funcionamiento de las celdas de

combustible, así como los parámetros que se involucran en su funcionamiento.

En el capitulo 3 describe al inversor trifásico y la técnica PWM Senoidal.

En el capitulo 4 se muestra la descripción técnica de los componentes del

sistema.

En el capitulo 5 se muestran los resultados obtenidos de la simulación,

principalmente la formas de onda que describe un motor asíncrono, el análisis de los

resultados y las conclusiones obtenidas de dicho análisis.

1.6. Alcances.

Se presenta un modelo completo de la simulación de un inversor trifásico

alimentado con celdas de combustible, y mediante la técnica SPWM podemos

CAPÍTULO

II

PRINCIPIO DE

15

2.1. Introducción.

Las celdas electroquímicas en las que se fuerza una reacción química mediante la adición de energía eléctrica se llaman celdas electrolíticas. Los dispositivos que producen energía eléctrica, mediante una reacción química son las celdas galvánicas.

Las celdas de combustible son reactores de estado estacionario a los que se dosifican

los reactivos en forma continua y de los que se extraen los productos también en forma continua [6].

Las celdas primarias son dispositivos de estado no uniforme que contienen cantidades iníciales fijas de reactivos. Hay un tercer tipo de celdas electroquímicas conocidas como secundarias, que funcionan como las galvánicas cuando están en uso, pero que se pueden regenerar (recargar) invirtiendo la reacción de celda.

Las celdas de combustible funcionan bajo el principio de intercambio de carga electrolítica entre una placa de ánodo negativa y una placa de cátodo positiva. Cuando se utiliza hidrógeno como combustible básico se produce hidrólisis inversa, dando agua y calor como subproductos, sin producir contaminantes, y convirtiendo energía química en eléctrica. En la figura 2.1 muestra un sistema clásico de una celda de combustible.

CAPÍTULO II [ PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO DE LAS CELDAS DE

COMBUSTIBLE ] IPN-ESIME-IE

16

La fuente de hidrógeno puede ser de un combustible fósil como gas natural o gasolina. Para extraer hidrógeno puro, los combustibles fósiles deben pasar primero por un reformador.

Las Celdas de Combustible fueron inventadas y descubiertas en 1839. El alemán/suizo Christian Friedrich Schönbein publicó un artículo sobre el hidrógeno-oxígeno en el "Philosophical Magazine" en enero de 1839. Alrededor de la misma fecha el inglés Sir William Grove (1811-1896) estaba trabajando en conexión en serie y paralelo en su poderosa batería platino– zinc.

En el artículo que publicó también en el "Philosophical Magazine" en febrero de 1839, Sir Grove indicaba la posibilidad de la reacción del hidrógeno– oxígeno para generar electricidad. Grove presentó en todos los detalles la celda de combustible.

La celda de combustible que fabricó Grove, (aunque tal vez se debería llamar Pila de Hidrógeno con mayor propiedad), como siempre pasa en estos casos, la gente no lo tomó en serio, sino más bien se rieron de su idea. Si lo hubiesen tomado en serio, a estas horas la historia de la humanidad quizás habría sido totalmente distinta, posiblemente la tecnología habría avanzado a pasos más acelerados e incluso es posible que los temas políticos, económicos, y sociales asociados al petróleo, habrían sido bastante diferentes.

17

2.2. Tipos de celdas de combustibles

.

A continuación se muestra una lista de los diversos tipos de celda de combustible.

1. Celdas de Combustible Alcalinas (AFC).

2. Celdas de Combustible con Membrana de Intercambio de Protones (PEMFC). 3. Celdas de Combustible de Ácido Fosfórico (PAFC).

4. Celdas de Combustible de Carbonato Fundido (MCFC). 5. Celdas de Combustible de Óxidos Sólidos (SOFC). 6. Celdas de Combustible de Metanol Directo (DMFCs).

Los diversos tipos de celdas de combustible desarrollados o fabricados actualmente tienen características que los hacen especialmente atractivos para ciertas aplicaciones [9]. En la tabla 2.1 se muestra las principales características de las celdas de combustible[7].

CAPÍTULO II [ PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO DE LAS CELDAS DE

COMBUSTIBLE ] IPN-ESIME-IE

18

2.3. Aspectos teóricos.

2.3.1. Operación de la celda de combustible.

La celda de combustible es un dispositivo que produce electricidad y agua mediante un proceso inverso a la electrólisis. En la figura 2.2 se ilustra el funcionamiento de una celda de combustible [10].

Electrólisis

Electricidad + agua  Hidrógeno + Oxígeno Celda de combustible

Hidrógeno + Oxígeno  Electricidad + agua

Figura 2.2. Funcionamiento básico de una Celda de Combustible [9].

Funcionamiento de la celda de combustible:

1. En el ánodo tiene lugar la oxidación del combustible: las moléculas de

hidrógeno se disocian en protones y electrones.

2. El electrolito permite el paso de los protones, e impide el paso de los

electrones.

19

4. En el cátodo se produce una reacción de reducción: electrones y protones se

combinan con el oxígeno para formar agua.

5. Este proceso producirá agua, corriente eléctrica y calor útil.

6. El único subproducto que se genera es agua 100% desmineralizada

A diferencia de las baterías, una celda de combustible no se agota ni requiere recarga, producirá energía en forma de electricidad y calor mientras se le provea de combustible. Como se mencionó, las celdas de combustible son una familia de tecnologías que usan diferentes electrólitos y que operan a diferentes temperaturas. Cada miembro de esa familia tiende a ser más apropiada para ciertas aplicaciones. En la tabla 2.2 se muestra los elementos básicos de una celda.

Tabla 2.2. Elementos básicos de una celda de combustible:

1.- Dos electrodos (ánodo y cátodo).

2.- Electrolito: sustancia encargada de transportar los iones producidos

en las reacciones redox.

El electrolito a veces se utiliza acompañado de un catalizador.

3.- H2 y O2, utilizados como combustible y oxidante respectivamente.

CAPÍTULO II [ PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO DE LAS CELDAS DE

COMBUSTIBLE ] IPN-ESIME-IE

20

2.3.2. Marco teórico

La salida del trabajo eléctrico de una celda de combustible se puede establecer a partir de un análisis termodinámico de un sistema cerrado o de un sistema abierto. Considere la celda que se ve en la figura 2.3.

Figura 2.3. Sistema Celda de Combustible.

Supondremos que la transferencia de calor hacia o desde la celda es el resultado de un proceso isotérmico. Además del trabajo eléctrico, podría haber también trabajo de expansión en la cantidad , ya que el sistema se mantiene a presión constante. El balance de energía para el volumen de control que rodea a la celda de combustible indica que:

(2.1)

ó bien (2.2)

Donde Transferencia de calor.

Energía interna

Entalpía

21

En condiciones isotérmicas, ( : Función de Gibbs). Por lo tanto,

(2.4)

Así, la producción de trabajo eléctrico de una celda en condiciones isotérmicas e internamente reversibles se mide con el cambio de la función de Gibbs .La eficiencia de conversión ideal o efectiva de una celda de combustible se puede definir mediante:

(2.5)

Donde dg es la producción máxima de trabajo útil, y la energía que entra es la entalpía de reacción liberada por la reacción química, ambas cantidades normalmente tienen valores negativos. Para un sistema de reactivo de gases ideales el valor para es:

(2.6)

y el valor para es:

(2.7)

Donde el subíndice representa en este caso la misma temperatura para reactivos y productos, ya que el proceso es isotérmico, corresponde a la entalpía de formación, y corresponde al coeficiente estequiométrico de la reacción total, corresponde a la entropía absoluta. Para las reacciones que ocurren a la temperatura de referencia estándar de 298 Kelvin, la ecuación para la entalpía de reacción se reduce a: [11]

CAPÍTULO II [ PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO DE LAS CELDAS DE

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22

Donde el índice de la suma, corresponde a los diferentes productos y reactantes de la reacción total. Una ecuación similar es válida para la función de Gibbs:

(2.9)

Además de la eficiencia ideal de una celda de combustible, otra cantidad importante es el voltaje ideal en circuito abierto que genera la celda. El trabajo eléctrico es el producto de la cantidad de carga que pasa por la celda por mol de combustible, y el potencial electrostático ideal Vi que desarrolla la celda de combustible.

Cuando se conecta una carga a los dos polos o terminales se produce una corriente que puede calcularse mediante la ley de Ohm. Los voltajes teóricos que producen las reacciones de estas celdas normalmente se hallan entre 1.0 y 1.3 volts (de corriente directa, CD) con 1 a 2 KW por metro cuadrado de electrodo. Por tanto, tenemos que: [12]

(2.10)

El signo negativo indica que el trabajo eléctrico lo hace el sistema sobre los alrededores. La cantidad de carga es igual al número de moles de electrones producidos por la reacción de la celda de combustible, por mol de combustible, multiplicado por el número de coulomb por mol de electrones, F (F: constante de Faraday). Por tanto,

(2.11)

Donde queda,

(2.12)

ó bien (2.13)

23

Si este valor se multiplica por la identidad, ,

entonces F es igual a

Así, la ecuación (2.13) se convierte en:

(2.14)

Donde se expresa en kilojoules por kilogramos-mol y Vi se expresa en Volt.

El valor de se puede determinar si se conocen las reacciones que ocurren en cada uno de los electrodos.

El número de moles de electrones que se producen durante la reacción de la celda de combustible por mol de combustible se puede determinar como sigue. En las celdas de combustible que funcionan con cualquier hidrocarburo CxHy y oxígeno O2, se deben considerar las semirreacciones. En el ánodo los reactivos son CxHy y el agua del electrolito, y los productos son dióxido de carbono gaseosos, iones hidrógeno y electrones[11].

Ánodo:

(2.a)

En el cátodo, los electrones y los iones hidrógeno reaccionan con el oxígeno que se introduce en la celda para formar agua.

Cátodo: (2.b)

La reacción química total se puede escribir como:

CAPÍTULO II [ PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO DE LAS CELDAS DE

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24

Esto es simplemente la suma de las reacciones en el ánodo y en el cátodo. En cualquier hidrocarburo que no contenga oxígeno en su fórmula, el número de electrones liberados por moléculas de combustible es:

(2.15)

Ejemplo:

En una celda hidrógeno-oxígeno, el hidrógeno se oxida electroquímicamente en la interface catalizador-electrolito, según la siguiente reacción:

Los electrones atraviesan la carga para proporcionar la corriente deseada y terminar al cátodo, donde la reacción de la reducción que ocurre es:

El equilibrio o balance electrostático se alcanza cuando los iones de hidrógeno se difunden a través del electrolito para llegar hasta el cátodo:

La reacción total es:

H2 + ½ O2 = H2O

En la figura 2.4 se visualizará las reacciones anteriormente descritas:

Figura 2.4. Reacción Electroquímica. Hidrogeno

(combustible)

Electrólito

Oxigeno (aire)

Calor + Agua

25

Por tanto el =

, y

, según los datos obtenidos de tablas termodinámicas, y las ecuaciones (2.8) y (2.9). Además el ideal = 83%, según ecuación (2.5).

El voltaje ideal será 1.223 Volt, según ecuación (2.13), con =2, según ecuación (2.15). Sin embargo, si la temperatura de operación es de 80 C (353° K) y se asume que para una buena estimación que los valores se mantienen constantes, los nuevos valores serán:

Ocupando la ecuación , y según los datos de tablas termodinámicas, nos queda que:

Una consideración importante en el análisis de cualquier celda de combustible es el efecto de la temperatura en su funcionamiento. En primer lugar, la eficiencia ideal se puede ver afectada por la temperatura.

Esto depende de la variación de con la temperatura. Estas propiedades son muy sensibles a la temperatura en la celda de hidrógeno y oxígeno.

En segundo lugar, la influencia de la temperatura en la velocidad de la reacción también es importante. Las celdas que emplean carbono o hidrocarburos como combustible a menudo tienen que operarse a temperaturas elevadas a fin de obtener velocidades suficientemente grandes.

CAPÍTULO II [ PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO DE LAS CELDAS DE

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26

En la operación real, existen varios efectos irreversibles dentro de la celda de combustible que reducen grandemente su voltaje terminal. Al hablar de las pérdidas dentro de una celda generalmente se dice que hay sobrevoltajes o efectos de polarización.

Por lo general, se agrupan en tres clases: resistencia o polarización óhmica, activación o polarización química y polarización de concentración.

La magnitud de cada uno de estos efectos es función de la densidad de corriente Ji. El primero de éstos lo causa la resistencia interna de la celda, e incluye pérdidas en el electrolito, así como en los electrodos. La activación de polarización surge de los cambios químicos que ocurren en la superficie de los electrodos así como de los efectos de adsorción y deserción sobre la superficie.

La concentración de polarización es causada por los gradientes de concentración que se establecen en el electrolito y en las corrientes de gas en la vecindad de los electrodos. En la figura 2.5 se muestra la densidad corriente-voltaje

Figura 2.5. Gráfica Densidad Corriente―Voltaje [8].

Voltaje ideal

Activación de la región polarizada (perdida de

velocidad de la reacción) Perdida total

Concentración de la región polarizada (perdida de transporte de gas) Región óhmica de polarización

(perdida de la resistencia)

Voltaje de operación

Vol

ta

je

d

e

la

c

e

ld

a

d

e

com

b

u

st

ib

le

27

2.4. Componentes que conforman la pila

Un equipo de celdas de combustible está constituido por tres sistemas tal y como lo muestra la figura 2.6 [13]. Estos sistemas son.

1.-Sistema del Procesamiento de combustible (Reformer).

Convierte el combustible en gas puro de Hidrógeno. Acepta diferentes combustibles, como Hidrógeno, gas natural, Gas Licuado, Diesel, Propano, Metanol, Gas de Carbón, Biogas, etc.

2.-Sistema de la Celda de combustible (Sección de potencia)

Donde ocurre el proceso electroquímico y se produce la corriente eléctrica continua.

3. Sistema de conversión de potencia

Este sistema convierte la corriente directa en corriente alterna.

CAPÍTULO

III

INVERSOR TRIFÁSICO Y

29

3.1. Introducción.

En este capitulo se presentan las clasificaciones mas comunes de los inversores, se explica el principio de funcionamiento del inversor trifásico y, se dan los parámetros de rendimiento del mismo. Además en el capitulo se explica las diferentes técnicas de modulación dando énfasis a la modulación senoidal PWM trifásico ya que este se empleara en al simulación del presente trabajo.

3.2. Clasificación de los inversores

En la figura 3.1 se muestra la clasificación general de los inversores. En ella se aprecia un primer nivel de división, que depende de la alimentación utilizada. Por un lado se tienen los alimentados por fuente de corriente (CSI, current source inverters), utilizados casi exclusivamente en el campo de la regulación de velocidad para potencias elevadas, y, por otro, los alimentados por fuente de tensión (VSI, voltage source inverters ), ampliamente utilizados en la mayoría de aplicaciones. En el segundo nivel se dividen, según el tipo de la tensión alterna obtenida, pudiendo ser monofásicos o trifásicos. La división en los últimos niveles se realiza atendiendo, a las técnicas de control empleadas en la obtención de la forma de onda de la tensión de salida [14].

Figura 3.1. Clasificación de los inversores fuente de voltaje (VSI). Modulación onda cuadrada

Modulación-cancelación de tensión Cancelación programada de armónicos

PWM*

PWM *

Conmutación de tensión bipolar Conmutación de

tensión unipolar Modulación por vector espacial

INVERSORES

CSI VSI

Monofásicos

Trifásicos

Modulación. Onda cuadrada 180°

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30

En la figura 3.2 se da la clasificación de los inversores VSI de acuerdo a su topología. En ella se puede ver en forma remarcada el VSI 3 debido a que este inversor es el que se empleara en el presente trabajo. Es así que en el apartado 3.3 se ve con detalle el principio y funcionamiento de este tipo de inversor.

Figura 3.2. Diferentes topologías de los inversores de voltaje [15].

INVERSOR (VSI)

MULTINIVEL

Medio puente

Puente H

Inversor trifásico

Conexión cascada de puentes H

Multicelda

Capacitores flotantes Diodo anclado

31

3.3. Principio de funcionamiento del inversor trifásico.

Una de las configuraciones del inversor es el puente trifásico de dos niveles, este inversor se puede construir con seis transistores y seis diodos como se muestra en la figura 3.3 [16].

Figura 3.3. Inversor trifásico.

A los transistores le podemos aplicar dos tipos de señales de control desfasadas 120° ó 180° entre sí.

Cuando el ángulo de conducción es de 180° cada transistor conduce durante 180°. Defasando convenientemente las señales de control de los transistores hacemos que conduzcan en cualquier instante tres de ellos. En la figura 3.3 cuando se dispara la ter inal a ueda conectado al e tre o positivo de la fuente de directa , cuando dispara la terminal a ueda conectado al e tre o negativo de la fuente de

directa .

Tenemos seis modos de operación durante un ciclo y la duración de cada uno de ellos es de 60°, siendo la secuencia de disparo de los transistores: 1,2,3 - 2,3,4 - 3,4,5 - 4,5,6 - 5,6,1 - 6,1,2. Las señales de disparo que se ven en la figura 3.4 están desplazadas 60° entre si, para obtener voltajes (fundamentales) trifásicos balanceados

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32

Figura 3.4. Formas de onda para conducción a 180°.

La tabla 3.1 muestra ocho estados de conmutación. Los transistores de la figura 3.3 actúan como los interruptores , respectivamente. Si dos interruptores, uno superior y uno inferior, conducen al mismo tiempo de tal modo que el voltaje de salida sea , el estado de conmutación es 1, mientras que si esos interruptores están abiertos al mismo tiempo, el estado de conmutación es 0. Los estados de 1 a 6 producen voltajes de salida distintos de cero. Los estados 7 y 8 producen voltajes de línea cero, y las corrientes de línea pasan libremente a través de los diodos superior o inferior de corrida libre. Para generar determinada forma de onda de voltaje, el inversor pasa de un estado a otro. Así, los voltajes de línea de salida de C.A. que resultan están formados por valores discretos de voltaje . Para generar determinada forma de onda, la selección de los estados se suelen hacer con una técnica de modulación que asegure solo el uso de los estados validos.

Las señales de control de los dos interruptores de un mismo brazo deben ser complementarias a fin de no cortocircuitar la fuente de alimentación. Además debe considerarse que los interruptores precisan de un tiempo mínimo, tanto en la apertura para anular la corriente, como en el cierre para su establecimiento. Por tanto se debe

Señ

al

es

a

ap

lic

ar

en

la

b

ase

d

e

lo

s

tran

si

st

o

res

Tensi

ó

n

d

e

la

sal

id

33

declarar el instante de cierre de un interruptor durante el tiempo de bloqueo necesario del interruptor complementario de la misma rama [18].

Esta corriente de descarga circulará por los diodos dispuestos en paralelo con cada interruptor. Una vez que esta corriente sea nula, se permitirá el cierre del interruptor complementario. Este tiempo de espera se denomina generalmente

tiempo muerto y debe ser respetado y tenido en cuenta durante el diseño.

La inclusión de estos tiempos muertos provocan una deformación de la tensión entre fases de salida, que será proporcional al valor del tiempo muerto y a la tensión de la fuente de continua de entrada, e inversamente proporcional al periodo de modulación. Otro efecto desfavorable de los tiempos muertos es el aumento de la amplitud de los armónicos de la tensión de salida.

Otros aspectos prácticos a considerar en el diseño del inversor son las pérdidas. Durante las conmutaciones de los interruptores existirán momentos en que la corriente que atraviesa el mismo y la tensión entre sus extremos tienen valores importantes. Por tanto existirán pérdidas en el componente en el momento de la conmutación (pérdidas en conmutación).

La potencia media disipada dependerá entre otros factores de la frecuencia de conmutación. También debe considerarse las pérdidas en conducción, debidas a una caída de tensión residual en el interruptor durante su estado de conducción.

Tabla 3.1. Estados de conmutación de un inversor trifásico de 2 niveles [17].

Estado Nº de

estado

Estado de interruptor

Tensiones compuestas

están cerrados,

y están abiertos 1 1 0 0 0

están cerrados,

y están abiertos 2 1 1 0 0

están cerrados,

y están abiertos 3 0 1 0 0

están cerrados,

y están abiertos 4 0 1 1 0

están cerrados,

y están abiertos 5 0 0 1 0

están cerrados,

y están abiertos 6 1 0 1 0

están cerrados,

y están abiertos 7 1 1 1 0 0 0

están cerrados,

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34

La carga se puede conectar en estrella o en delta tal y como se muestra en la figura 3.5. Para una conexión en delta la corriente de fase se obtiene directamente de la tensión entre líneas. Para una conexión en estrella la tensión entre línea y neutro viene determinada por la intensidad de línea.

Figura 3.5. Tipos de conexiones.

Existen tres modos de operación por semiciclo. Los circuitos equivalentes que representan cada modo de operación se muestran en la figura 3.6.

Figura 3.6. Circuitos equivalentes.

Durante el modo 1 para 0 ≤ ω t ≤ π/3 conducen los transistores

(3.1)

35

Durante el modo 2 para π/3 ≤ ω t ≤ 2π/3 conducen los transistores :

(3.2)

Durante el modo 3 para 2π/3 ≤ ω t ≤ π conducen los transistores :

(3.3)

Las figuras 3.7 y 3.8, se muestran las tensiones de fase y de línea respectivamente.

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36

Figura 3.8. Tensiones de línea del inversor.

La serie de Fourier de la figura 3.8 esta dada por:

(3.4)

La suma esta con n impares ya que los armónicos pares son cero. y

vienen dadas por las siguientes ecuaciones en las que se cambia la fase de la tensión. 120° para y 240° para [16].

(3.5)

(3.6)

De la ecuación (3.4) obtendremos que la n-ésima componente de la tensión eficaz de línea será:

37

(3.8)

El valor eficaz de la tensión de fase viene dado por :

(3.9)

Para cargas puramente resistivas, los diodos en antiparalelo con los transistores no conducen, pero para una carga inductiva la intensidad en cada rama del inversor puede estar retrasada con respecto a la tensión como se muestra en la figura 3.9.

Figura 3.9. Inversor trifásico con carga RL.

Cuando el transistor Q4 de la figura 3.3 está en corte, el único camino para que circule la corriente negativa de línea es a través de D1, en este caso el terminal

a de la carga ueda conectado a la fuente de directa a través de D1 hasta que la intensidad en la carga invierte su sentido para t = t1 . Durante el período entre , el transistor Q1 no conduce. De igual forma, el transistor Q4 no conducirá para t = t2.

Cor

ri

e

n

te

d

e

f

a

se

T

e

n

sió

n

d

e

f

a

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38

El tiempo de conducción de los transistores y diodos depende de la potencia entregada a la carga. Para una conexión de la carga en estrella, la tensión de fase es

(3.10)

Con un retraso de 30 , de la ecuación 3.4 obtenemos la intensidad de línea para una carga RLC:

(3.11) Donde:

(3.12)

39

3.3.1. Parámetros de rendimiento del inversor trifásico.

La salida de los inversores prácticos contienen armónicas y la calidad de un inversor se suele evaluar en términos de los siguientes parámetros de rendimiento [17].

Factor armónico de la -ésima armónica ( ) El ) , que es una medida de la contribución individual de esa armónica se define así:

para n > 1 donde V1 es el valor eficaz (rms) de la componente fundamental, y Von es el valor eficaz de la

n-ésima componente armónica. (3.13)

Distorsión armónica total (THD-Total Harmonic Distortion). La distorsión armónica total, es una medida de la coincidencia de formas entre una onda y su componente fundamental, se define como

(3.14)

Factor de distorsión (DF-Distortion Factor) Se diferencia de la anterior en que detalla a cualquiera de las armónicas que constituye la señal, por el principio de Fourier. El DF indica la cantidad de distorsión armónica que queda en determinada forma de onda después de someter a las armónicas de esa onda a una atenuación o filtrado de segundo orden, es decir, dividirlas entre n2. Se vuelve entonces una medida de la eficacia de la reducción de armónicos no deseados, y se define así:

(3.15)

El DF de un componente armónico individual (o el n-esimo) se define como:

para n > 1

(3.16)

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40

3.4. Técnicas de modulación PWM

.

3.4.1. Generalidades.

Los métodos de modulación del ancho del pulso (Pulse Width Modulation, PWM) han sido bastante desarrollados estos últimos años. Éstos determinan las leyes de conmutación de forma que se reproduzcan lo más exactamente posible las tensiones de referencia. Las conmutaciones se efectúan a la frecuencia denominada

frecuencia de conmutación; y el control de la tensión de salida se realiza a través de la

relación cíclica de los interruptores (relación entre el tiempo de conducción y el

periodo de modulación).

Las técnicas de conmutación de los inversores van de acuerdo a la frecuencia de conmutación de los interruptores. Estas técnicas pueden agruparse tal y como lo muestra la figura 3.10. Lo que se busca con las diferentes técnicas de conmutación son las siguientes características:

• Minimización de los contenidos armónicos de la tensión de salida en el inversor.

• Regulación de la amplitud y frecuencia de salida.

• Equilibrio de las tensiones instantánea de los capacitores, cuando la topología lo requiere.

Figura 3.10. Técnica de modulación de los inversores. [19].

TÉCNICAS DE

CONMUTACIÓN

CONMUTACIÓN A FRECUENCIA FUNDAMENTAL BAJA

CONMUTACIÓN A FRECUENCIA ALTA

Modulación en escalera

Cancelación Selectiva

de armónicos

PWM

Modulación Vectorial

41

Dentro de las variantes de las técnicas PWM podemos tener [20].

1. Modulación en anchura de un pulso por semiperíodo.

2. Modulación en anchura de varios pulsos por semiperíodo.

3. Modulación senoidal PWM.

4. Modulación senoidal modificada.

5. Modulación con alternancias positivas y negativas en cada semiperíodo.

6. Modulación en modo de control de la corriente (Por banda de histéresis).

De estas técnicas de modulación profundizaremos en la PWM senoidal ya que será utilizada en la simulación.

3.4.2. Conceptos básicos de la técnica SPWM.

La modulación de ancho de pulso sinusoidal (Sinusoidal Pulse Width Modulación -SPWM), también conocida como PWM subarmónica, es de las técnicas más estudiadas y aplicadas en la industria [21,22], debido a su simplicidad y a sus buenos resultados que garantiza en todos los regímenes de trabajo.

Esta modulación consiste en comparar una señal de referencia de baja frecuencia conocida como moduladora y otra de alta frecuencia conocida como portadora, el resultado de esta comparación nos da la disposición de conmutación de los dispositivos de potencia. Hoy en día se han hecho populares algunas variaciones de este tipo de modulación como lo es la basada en portadora modificada o la basada en múltiples moduladoras. El contenido armónico se verá afectado dependiendo de que si es asíncrona o síncrona.

La modulación SPWM se lleva acabo con la comparación de una señal de baja frecuencia sinusoidal y una señal de alta frecuencia, por lo general una onda triangular. Obtenemos como resultado el régimen de conmutación de los dispositivos interruptores. Cuando las señales se interceptan se genera una disposición para la conmutación de los interruptores [23, 24,25].

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42

Figura 3.11. Generación del SPWM (a) Comparación de señales de alta y baja frecuencia, (b) Régimen de conmutación resultante debido a la comparación.

De la figura 3.12 se deduce que si la amplitud de la señal portadora (señal de alta frecuencia) es mayor que la amplitud de la señal moduladora (señal de baja frecuencia), como resultado tendremos un pulso negativo y en forma inversa obtendremos un pulso positivo. La frecuencia de la señal de baja frecuencia establece la frecuencia fundamental de la modulación. [23, 24,25]

El inversor de dos niveles debe su nombre debido a que los estados que puede tomar solo son dos, (+Vd y –Vd), en dicha transiciones es necesario que se introduzca un tiempo en el que la tensión de salida vale cero.

En la figura 3.12, se muestra donde debe de ir el tiempo muerto (Deadtime), dado que con dicho tiempo es de vital importancia en este tipo de modulación.

Figura 3.12. Tiempo muerto (Deadtime - DT) en los pulsos polares de salida de un convertidor de dos niveles.

Esta técnica puede ser usada en configuraciones de Medio puente, puente completo H (monofásicos). Puente trifásico.

43

3.4.2.1. SPWM para un puente H.

Esta técnica hace variar el ancho de cada pulso en proporción con la amplitud de una onda sinusoidal evaluada en el centro del mismo pulso [26]. El DF y la LOH se reducen en forma apreciable. Las señales de control, como se ven en la figura 3.13a, se generan comparando a una señal sinusoidal de referencia con una onda portadora triangular de frecuencia . Esta modulación por ancho de pulso sinusoidal (SPWM) es la que se suele usar en las aplicaciones industriales. La frecuencia de la señal de referencia determina la frecuencia de la salida del inversor, y su amplitud pico controla el índice de modulación M, y en consecuencia el voltaje rms de salida . Al comparar la señal portadora bidireccional con dos señales de referencia, y , que se ven en la figura 3.13a, se producen las señales de disparo y , respectivamente, como se ve en la figura 3.13b.

El voltaje de salida es = ( - ). Sin embargo, y no se pueden liberar al mismo tiempo. La cantidad de pulsos por medio ciclo depende de la frecuencia de la portadora. Dentro de la restricción de que dos transistores de la misma rama ( y ) no pueden conducir al mismo tiempo, el voltaje instantáneo de salida se ve en la figura 3.13c. Se pueden generar las mismas señales de disparo con una onda portadora triangular unidireccional como se ve en la figura 3.13d. Es más difícil implementar este método, y es preferible. El algoritmo para generar las señales de disparo es parecido al de la PWM uniforme, excepto que la señal de referencia es una onda sinusoidal = sen t, en lugar de una señal de C.D. El voltaje de salida es

= ( - ) [16].

Se puede modificar el voltaje rms de salida, variando el índice de modulación M.

Donde (3.17)

M=Índice de modulación.

=Señal de referencia de amplitud. =Señal portadora de amplitud.

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44

= ( (3.18)

Figura 3.13. Modulación por ancho de pulso senoidal para un inversor puente H.

45

3.4.2.2. SPWM para un puente 3

Son aplicables, a los inversores trifásicos, las técnicas de control descritas en la sección 3.4.1. Sin embargo, las técnicas que se usan con frecuencia para los inversores trifásicos son las siguientes:

PWM senoidal.

PWM con tercer armónico. PWM a 60°

Modulación por vector espacial.

La generación de disparo de compuerta con PWMS se ven en la figura 3.14a. En esta se pueden ver tres ondas senoidales de referencia, y , separadas en

120˚ entre si. “e co para una onda portadora con la señal de referencia que corresponde a una fase, para generar las señales de compuerta para esa fase. Al comparar la señal portadora con las fases de referencia y se reproducen · y , respectivamente, como se ve en la figura 3.14b. El voltaje instantáneo de salida, de línea a línea, es = ( - ). El voltaje de salida que se ve en la figura 3.14c se genera eliminando la condición que dos dispositivos de conmutación en el mismo ramal no puedan conducir al mismo tiempo[17].