Análisis y simulación de un regulador trifásico de tensión eléctrica basado en dos interruptores

(1)

INSTITUTO TECNOLÓGICO

DE CIUDAD MADERO

DIVISIÓN DE ESTUDIOS DE

POSGRADO E INVESTIGACIÓN

ANÁLISIS Y SIMULACIÓN DE UN REGULADOR

TRIFÁSICO DE TENSIÓN ELÉCTRICA BASADO EN

DOS INTERRUPTORES

TESIS QUE PARA OBTENER EL GRADO DE

MAESTRO EN CIENCIAS EN INGENIERÍA ELÉCTRICA

PRESENTA

ING. SAMUEL MAR BARÓN

ASESOR

DR. JULIO CESAR ROSAS CARO

(2)

INSTITUTO TECNOLÓGICO

DE CIUDAD MADERO

DIVISIÓN DE ESTUDIOS DE

POSGRADO E INVESTIGACIÓN

ANÁLISIS Y SIMULACIÓN DE UN REGULADOR

TRIFÁSICO DE TENSIÓN ELÉCTRICA BASADO EN

DOS INTERRUPTORES

TESIS QUE PARA OBTENER EL GRADO DE

MAESTRO EN CIENCIAS EN INGENIERÍA ELÉCTRICA

PRESENTA

ING. SAMUEL MAR BARÓN

JURADO

PRESIDENTE: DR. JULIO CESAR ROSAS CARO

SECRETARIO: MC. HERMENEGILDO CISNEROS VILLEGAS VOCAL: DR. RUBÉN SALAS CABRERA

SUPLENTE: M.C. AARÓN GONZÁLEZ RODRÍGUEZ

(3)

D

e

d

i

c

a

t

o

r

i

a

A

l

a

m

e

m

o

r

i

a

d

e

m

i

P

a

d

r

e

:

P

o

r

s

i

e

m

p

r

e

s

t

a

r

a

m

i

l

a

d

o

,

p

o

r

s

u

a

p

o

y

o

i

n

c

o

n

d

i

c

i

o

n

a

l

y

s

u

a

m

o

r

s

i

n

l

í

m

i

t

e

s

.

S

i

g

o

c

a

m

i

n

a

n

d

o

d

e

t

u

m

a

n

o

p

a

p

i

.

A

m

i

M

a

d

r

e

:

P

o

r

s

u

e

j

e

m

p

l

o

d

e

t

r

a

b

a

j

o

y

s

u

a

l

e

g

r

í

a

p

o

r

l

a

v

i

d

a

.

G

r

a

c

i

a

s

M

a

m

á

p

o

r

a

p

o

y

a

r

m

e

c

o

n

m

i

s

h

i

j

o

s

,

p

o

r

t

u

t

i

e

m

p

o

y

p

a

c

i

e

n

c

i

a

.

S

i

n

t

i

y

o

n

o

h

u

b

i

e

r

a

t

e

n

i

d

o

l

a

t

r

a

n

q

u

i

l

i

d

a

d

p

a

r

a

t

e

r

m

i

n

a

r

e

s

t

e

p

r

o

y

e

c

t

o

p

r

o

f

e

s

i

o

n

a

l

.

A

m

i

h

e

r

m

a

n

a

A

l

m

a

L

e

t

i

c

i

a

:

P

o

r

s

i

e

m

p

r

e

a

y

u

d

a

r

m

e

,

p

o

r

s

u

c

a

r

i

ñ

o

y

l

a

e

x

t

e

n

s

i

ó

n

d

e

é

l

h

a

c

i

a

m

i

s

h

i

j

o

s

.

G

r

a

c

i

a

s

f

l

a

c

a

p

o

r

t

u

c

o

m

p

r

e

n

s

i

ó

n

y

t

u

s

c

o

n

s

e

j

o

s

.

A

G

a

b

y

:

P

o

r

a

n

i

m

a

r

m

e

a

r

e

t

o

m

a

r

y

c

o

n

c

l

u

i

r

m

i

t

r

a

b

a

j

o

d

e

t

e

s

i

s

;

p

o

r

h

a

c

e

r

m

e

v

e

r

q

u

e

é

s

t

e

s

u

n

e

j

e

m

p

l

o

d

e

v

i

d

a

p

a

r

a

m

i

s

h

i

j

o

s

.

A

m

i

s

h

i

j

o

s

R

a

ú

l

S

a

m

u

e

l

y

J

e

s

ú

s

A

b

r

a

h

a

m

:

P

o

r

s

e

r

l

a

s

p

e

r

s

o

n

a

s

m

á

s

i

m

p

o

r

t

a

n

t

e

s

e

n

m

i

v

i

d

a

,

p

o

r

q

u

i

e

n

t

r

a

b

a

j

o

t

o

d

o

s

l

o

s

d

í

a

s

p

a

r

a

s

e

r

m

e

j

o

r

p

e

r

s

o

n

a

,

p

o

r

s

e

r

m

i

m

o

t

o

r

y

l

a

r

a

z

ó

n

p

o

r

l

a

c

u

a

l

y

o

q

u

i

e

r

o

s

u

p

e

r

a

r

m

e

d

í

a

d

í

a

.

L

o

s

a

m

o

!

A

(4)

A

g

r

a

d

e

c

i

m

i

e

n

t

o

s

A

l

a

D

i

r

e

c

i

ó

n

G

e

n

e

r

a

l

d

e

E

d

u

c

a

c

i

ó

n

S

u

p

e

r

i

o

r

T

e

c

n

o

l

ó

g

i

c

a

p

o

r

e

l

a

p

o

y

o

r

e

c

i

b

i

d

o

p

a

r

a

c

o

n

c

l

u

i

r

e

s

t

e

t

r

a

b

a

j

o

,

r

e

a

l

i

z

a

d

o

e

n

e

l

m

a

r

c

o

d

e

l

p

r

o

y

e

c

t

o

:

“

A

n

á

l

i

s

i

s

d

e

t

o

p

o

l

o

g

í

a

s

d

e

c

o

n

v

e

r

t

i

d

o

r

e

s

d

e

p

o

t

e

n

c

i

a

c

o

n

a

l

t

o

f

a

c

t

o

r

d

e

l

e

v

a

c

i

ó

n

p

a

r

a

p

l

i

c

a

c

i

ó

n

a

f

u

e

n

t

e

s

r

e

n

o

v

a

b

l

e

s

d

e

n

e

r

g

í

a

”

c

o

n

N

o

.

d

e

r

e

g

i

s

t

r

o

M

A

D

-

M

I

E

-

2

0

9

9 -

-

2

1

1 a

a

n

t

e

l

a

D

G

E

S

T

A

l

M

.

D

.

O

s

c

a

r

J

a

v

i

e

r

A

l

o

n

s

o

B

a

n

d

a

D

i

r

e

c

t

o

r

d

e

l

I

T

C

M

:

P

o

r

s

u

a

p

o

y

o

d

e

c

i

d

i

d

o

e

n

l

o

s

t

r

á

m

i

t

e

s

a

d

m

i

n

i

s

t

r

a

t

i

v

o

s

p

e

r

o

s

o

b

r

e

t

o

d

o

p

o

r

l

a

c

a

l

i

d

a

d

h

u

m

a

n

a

l

i

n

v

i

t

a

r

n

o

s

a

c

o

n

c

l

u

i

r

e

s

t

e

p

r

o

y

e

c

t

o

p

r

o

f

e

s

i

o

n

a

l

.

A

m

i

a

s

e

s

o

r

D

r

.

J

u

l

i

o

C

e

s

a

r

R

o

s

a

s

C

a

r

o

P

o

r

s

u

t

i

e

m

p

o

,

e

n

s

e

ñ

a

n

z

a

s

y

s

e

n

c

i

l

e

z

a

l

c

o

m

p

a

r

t

i

r

l

a

s

c

o

n

u

n

s

e

r

v

i

d

o

r

.

A

l

o

s

M

a

e

s

t

r

o

s

S

i

n

o

d

a

l

e

s

:

P

o

r

e

l

t

i

e

m

p

o

d

e

d

i

c

a

d

o

a

l

a

r

e

v

i

s

i

ó

n

y

a

p

o

r

t

a

c

i

o

n

e

s

p

(5)

Resumen

Análisis y Simulación de un Regulador trifásico de

Tensión Eléctrica Basado en Dos Interruptores

Presenta: Ing. Samuel Mar Barón

Asesor: Dr. Julio Cesar Rosas Caro

Este trabajo propone el análisis y simulación de una topología de regulador trifásico de tensión eléctrica que usa solos dos interruptores y es capaz de controlar la tensión por modulación de ancho de pulso “PWM”, dando una gran confiabilidad, con una etapa de

conmutación simple y más barato en comparación con otras configuraciones disponibles que utilizan al menos cuatro interruptores. La topología analizada es conveniente para la regulación de tensión eléctrica en los sistemas de distribución en estado estacionario y corrige las variaciones de tensión eléctrica como: Depresión de Tensión eléctrica (sags) y Parpadeo (flickers), especialmente diseñado para rechazar disminuciones de tensión causadas por arranques de grandes motores, el regulador propuesto a ser analizado no cuenta con elementos de almacenamiento de energía.

El control PWM es basado en una señal de corriente continua asíncrona de la red, siendo que la fase y frecuencia de las señales está en función del tensión eléctrica de entrada y el arreglo de transformadores, el sistema de control no necesita de lazo de amarre por fase “PLL” y no necesita resolver ecuaciones trigonométricas para su sincronización

con la red, con lo que las perturbaciones de frecuencia y fase no afectan al PWM. Mientras que el control se puede lograr con un controlador análogo o con un microcontrolador de bajo costo.

(6)

Abstract

Analysis and Simulation of a Three-Phase Voltage

Regulator Based on Two Switches

Presents: Engineer Samuel Mar Barón

Advisor: Dr. Julio Cesar Rosas Caro

This work proposes the analysis and simulation of a three-phase voltage regulator which uses only two driven switches controlled by pulse width modulation PWM improving the reliability and making the switching stage simpler and cheaper compared with other available topologies that use at least four switches. The analyzed topology can be used for steady state regulation of voltage in the distribution system and it can reject transient disturbances such as sags and flicker, it is specially designed to reject sags produced by a big motor start, the proposed regulator doesn’t have energy storage elements.

The PWM control of the analyzed converter is asynchronous from the grid, since the output voltage phase and frequency is given by the transformer arrangement and duty cycle, the control doesn’t need neither a phase locked loop PLL nor trigonometric

calculations for synchronization (such as other available topologies), which makes phase and frequency perturbation doesn’t affect the PWM control, while the control can be

implemented with a low cost analog controller or a microcontroller.

(7)

C

o

n

t

e

n

i

d

o

Página

Dedicatoria 2

Agradecimientos 3

Resumen 4

Abstract 5

Contenido 6

Lista de figuras 9

Capítulo 1: Introducción. 16

1.1. Antecedentes. 17

1.1.1. Pico de tensión eléctrica. 17 1.1.2. Depresión de tensión eléctrica (sags). 18 1.1.3. Dilatación de tensión eléctrica (swell). 18 1.1.4. Sobretensión eléctrica. 19 1.1.5. Parpadeo (flickers). 19 1.1.6. Interrupciones de energía. 20

1.1.7. Ruido eléctrico. 20

1.1.8. Distorsión armónica. 21 1.2. Planteamiento del problema. 21

1.3. Justificación. 21

1.4. Objetivos. 22

1.4.1. Objetivo general. 22

1.4.2. Objetivos Específicos. 22

1.5. Hipótesis. 23

1.6. Alcances y limitaciones. 23

(8)

Capítulo 2: Marco teórico. 25

2.1. Introducción. 26

2.2. El cicloconvertidor. 26

2.3. El convertidor matricial. 27 2.4. El convertidor matricial indirecto. 35 2.5. El convertidor vectorial. 36 2.6. Convertidores sin cambio de frecuencia. 42 2.7. Regulador propuesto para ser analizado. 43

Referencias. 45

Capítulo 3: Convertidores con enlace de CA. 49

3.1. Historia de los convertidores con enlace de CA. 50 3.2. El convertidor vectorial simplificado. 66 3.3. Conclusión del capítulo. 72

Referencias. 73

Capítulo 4: Análisis del regulador trifásico de tensión eléctrica basado en dos

interruptores. 78

4.2. Topología propuesta para su análisis. 81 4.3. Formas de onda de la operación del convertidor. 86 4.3.1. Simulación preliminar. 87 4.3.2. Simulación de rechazo de Sag. 91 4.4. Conclusiones del capítulo. 96

(9)

Capítulo 5: Simulación de regulador trifásico de

tensión eléctrica de dos interruptores. 100

5.2. Entorno del programa Saber Sketch. 101 5.3. Fuentes de tensión eléctrica trifásica. 103 5.4. Circuito compensador de tensión eléctrica. 108

5.5. Carga trifásica. 111

5.6. Puente de diodos. 114

5.7. Circuito simulador de caída de tensión eléctrica. 117 5.8. Circuito de control por PWM. 120

5.9. Circuito Snubber. 128

5.10. Medidor de tensión eléctrica en la carga. 131 5.11. Ejecución de la simulación. 144 5.12. Visualización de los resultados de la simulación. 147 5.13. Conclusiones del capítulo. 152

Capítulo 6: Conclusiones y trabajos futuros 153

6.1. Conclusiones. 154

(10)

Lista de Figuras

Página

Figura 1.1. Pico de tensión eléctrica. 17 Figura 1.2. Depresión de tensión eléctrica. 18 Figura 1.3. Dilatación de tensión eléctrica. 18 Figura 1.4. Sobretensión eléctrica. 19

Figura 1.5. Parpadeo. 19

Figura 1.6. Interrupción de energía. 20

Figura 1.7. Ruido eléctrico. 20

Figura 1.8. Distorsión armónica. 21

Figura 2.1. Cambiador de frecuencia (a) rectificador (b) inversor. 26 Figura 2.2. Cicloconvertidor de 3x3. 27 Figura 2.3. Convertidor matricial de 3x3. 27 Figura 2.4. Filtro de entrada. 31 Figura 2.5. Interruptores bidireccionales. 33 Figura 2.6. Matriz de conmutación con interruptores tipo Fig. 2.5(a). 34 Figura 2.7. Circuito fijador de sobretensiones eléctricas. 35 Figura 2.8. Convertidor matricial indirecto. 36 Figura 2.9. Convertidor vectorial trifásico de 3x1. 37 Figura 2.10. Tensión eléctrica de salida obtenible para tres tensiones

eléctrica de entrada desfasadas 120 grados eléctricos. 39 Figura 2.11. Implementación del convertidor de la Fig. 2.9. 40 Figura 2.12. Compensador en serie basado en el VeSC (a) línea de

transmisión (b) capacitores de compensación (c) VeSC de

2x1 (d) transformador de inyección en serie. 41 Figura 2.13. UPFC basado en un VeSC (a) línea de transmisión (b)

transformadores cambiadores de fase (d) transformador

(11)

Figura 2.14. Convertidor Buck AC-AC trifásico. 42 Figura 2.15. Convertidor Boost AC-AC trifásico. 43 Figura 2.16. Topología propuesta para ser analizada y simulada. 44

Figura 3.1. Circuito de potencia propuesto en. 50 Figura 3.2. Cortador de CA, D es el ciclo de trabajo de S1,

configuraciones (a) monofásica (b) trifásica. 51 Figura 3.3. Convertidor Buck con enlace de CA basado en

interruptores de dos cuadrantes. 51 Figura 3.4. Convertidor con enlace de CA tipo Buck basado en

4 interruptores controlados por compuerta. 52 Figura 3.5. Convertidor con enlace de CA tipo Buck. 53 Figura 3.6. Circuito equivalente cuando S1=1 y S2=0. 54 Figura 3.7. Circuito equivalente cuando S1=0 y S2=1. 55 Figura 3.8. Convertidor Boost con enlace de CA. 57 Figura 3.9. Convertidor Buck-Boost con enlace de CA. 57 Figura 3.10. Esquemático del UPFC basado en el convertidor matricial

instalado en una línea de transmisión. 58 Figura 3.11. Izquierda: Cambiador de fase hibrido, el convertidor se

muestra dentro de la caja blanca en la parte inferior, Derecha:

convertidor tipo Buck utilizado. 59 Figura 3.12. Compensador serie basado en convertidor con enlace de

CA (a) monofásico (b) trifásico. 60 Figura 3.13. Controlador gama basado en un convertidor con enlace de

CA asistido por transformador cambiador de fase. 61 Figura 3.14. Convertidor con enlace de CA tipo Buck con dos interruptores. 62 Figura 3.15. Convertidor con enlace de CA tipo Boost con dos interruptores. 63 Figura 3.16. Convertidor con enlace de CA tipo Buck-Boost con dos

interruptores. 63

(12)

Figura 3.19. Convertidor trifásico vectorial simplificado de 2x1 (a) interruptores bidireccionales trifásicos (b) entradas de

tensión eléctrica trifásica (c) Salida trifásica. 67 Figura 3.20. (a) y (b) interruptores bidireccionales de dos puertos (c) y (d)

interruptores bidireccionales de tres puertos. 68 Figura 3.21. Circuito equivalente cuando S1 está encendido y S2 está apagado. 68 Figura 3.22. Circuito equivalente cuando S1 está apagado y S2 está encendido. 69

Figura 4.1. Compensadores basados en enlace de CA

(a) sin transformador (b) con transformadores. 80 Figura 4.2. Topología propuesta para ser estudiada con las principales señales. 83 Figura 4.3. Circuitos equivalentes (a) S1=on y S2=off, (b) S1=off y S2=on. 84 Figura 4.4. Convertidor propuesto modelado como un convertidor de

conmutación vectorial simplificado SVeSC de 2x1. 86 Figura 4.5. Espectro armónico de la tensión eléctrica recortada Va2n2

de la Fig. 2, el eje vertical está en Volts, mientras que el

horizontal está en Hertz y en orden de la armónica. 87 Figura 4.6. Espectro armónico de la tensión eléctrica en la carga

Va3n3 de la Fig. 2. 89

Figura 4.7. Formas de onda de tensión eléctrica y corriente en los interruptores. 90 Figura 4.8. Compensador con control de tensión eléctrica de salida. 93 Figura 4.9. Medidor de tensión eléctrica para propósito de retroalimentación. 94 Figura 4.10. Tensión eléctrica de entrada y salida durante la disminución de

tensión eléctrica, tensiones eléctricas de CA y valores RMS

calculados con la transformación de Clarke. 94 Figura 4.11. Espectro harmónico de la tensión eléctrica recortada después

del filtro Va4n2 de la Fig. 4.8. 95 Figura 4.12. Espectro armónico de la tensión eléctrica de la salida

Va3n3 de la Fig. 4.8. 96