PROYECTO FIN DE CARRERA
Presentado a
LA UNIVERSIDAD DE LOS ANDES
FACULTAD DE INGENIER´
IA
DEPARTAMENTO DE INGENIER´
IA EL´
ECTRICA Y ELECTR ´
ONICA
Para obtener el t´ıtulo de
INGENIERO EL´
ECTRICO
por
Nicol´
as Zuluaga B.
IMPLEMENTACI ´
ON DE UNA PLATAFORMA DE
ENTRENAMIENTO PARA LABORATORIOS DE POTENCIA CON
UNA PR ´
ACTICA DE FILTROS ACTIVOS DE POTENCIA
Sustentado el 17 de enero de 2014 frente al jurado:
Composici´
on del jurado
- Asesor: Gustavo Ramos PhD, Profesor Asociado, Universidad de Los Andes - Jurado: Davis Montenegro MSc, Estudiante Doctoral, Universidad de Los Andes
´
Indice general
1. Introducci´on 1
1.1. Descripci´on de la problem´atica y justificaci´on del trabajo . . . 1
1.2. Alcance y productos finales . . . 1
1.3. Objetivos . . . 1
1.3.1. Objetivo General . . . 1
1.3.2. Objetivos Espec´ıficos . . . 1
2. Marco te´orico, conceptual e hist´orico 3 2.1. Marco Te´orico . . . 3
2.1.1. Teor´ıa de potencia instant´anea p-q . . . 3
2.1.2. Conceptos de calidad de potencia . . . 3
2.1.3. Compensaci´on shunt . . . 4
2.1.4. ESTRATEGIA DE CONTROL . . . 4
3. Metodolog´ıa del trabajo 6 3.1. Procesamiento y Control . . . 6
3.1.1. Cosimulaci´on Filtro Activo en Labview-Multisim . . . 6
3.1.2. Elegir Hardware para el Procesamiento . . . 8
3.1.3. Simulaci´on del Filtro Activo con la Plataforma Elegida . . . 9
3.2. Plataforma F´ısica . . . 11
3.2.1. Etapa de Potencia . . . 11
3.2.2. Fuente Trif´asica y Carga . . . 13
3.2.3. Adquisici´on y Control . . . 13
3.3. Interfaz Hombre-Maquina . . . 13
4. Trabajo realizado 18 4.1. Descripci´on del Resultado Final . . . 18
5. Conclusiones y trabajos futuros 24 5.1. Conclusiones . . . 24
5.2. Trabajo Futuros . . . 24
Bibliograf´ıa 24
A. Resumen Ejecutivo 26
´
Indice de figuras
2.1. Esquema de Filtro Activo para compensaci´on de corriente en Shunt[1] . . . 4
2.2. Diagrama de bloques de control [1] . . . 5
3.1. Fuente trif´asica y carga no lineal . . . 7
3.2. Inversor trif´asico que compensa la corriente . . . 7
3.3. Voltaje de una fase, corriente no lineal de la carga y corriente compensada. . . 8
3.4. Espectro arm´onico de la corriente de la carga y de la fuente . . . 8
3.5. Gr´afica de tiempos de procesamiento. Se˜nales: (a) Alta mientras se efectua el proce-samiento. (b) Alta en cada interrupci´on de control de corriente. (c) Flanco en cada interrupci´on de procesamiento. (d) Flanco en cada interrupci´on de control de corriente. 10 3.6. Corrientes fase A y B, compensada y no compensada . . . 10
3.7. Controles y grafica del voltaje DC . . . 14
3.8. Graficas con se˜nal seleccionable . . . 15
3.9. Espectro arm´onico y porcentaje de distorsi´on arm´onica . . . 16
3.10. Interfaz remota desde un explorador web. . . 17
4.1. Caja de fusibles y switch en el lado de 220V . . . 18
4.2. Banco de transformadores trif´asico . . . 19
4.3. Modulo de control y adquisici´on de datos . . . 20
4.4. Modulo de Potencia . . . 21
4.5. Gr´aficas de los voltajes y corrientes medidos en la plataforma. . . 22
4.6. Gr´aficas de los voltajes y corrientes medidos con el filtro apagado. . . 23
4.7. Gr´aficas de los voltajes y corrientes medidos con el filtro en funcionamiento. . . 23
Cap´ıtulo 1
Introducci´
on
1.1.
Descripci´
on de la problem´
atica y justificaci´
on del trabajo
Los filtros activos de potencia son un tema de inter´es actualmente por sus beneficios. Estos permiten reducir arm´onicos y corregir el factor de potencia de cargas no lineales, las cuales son cargas muy comunes. Las implementaciones actuales de estos son costosas, complicadas y poco vers´atiles. Con la plataforma planteada se busca tener un filtro activo de bajo costo, f´acil uso y f´acil acceso para los usuarios.
El manejo de una implementaci´on f´ısica de estos filtros puede ser complicado y confuso para usua-rios inexpertos en el tema, los cuales ser´an nuestro objetivo. Para esto se pretende tener una interfaz usuario-maquina amigable y con posibilidad de acceso remoto. El acceso remoto responde a la nece-sidad de maximizar el tiempo de uso del equipo y facilitar el acceso a este para usuarios f´ısicamente alejados de la plataforma.
1.2.
Alcance y productos finales
Puesta en marcha de la plataforma de entrenamiento operando de manera local y remota.
Implementaci´on de la pr´actica de filtros activos en dicha plataforma.
1.3.
Objetivos
1.3.1.
Objetivo General
Dise˜nar una plataforma de entrenamiento para ser empleada de manera local y remota en laboratorios de sistemas de potencia. Dise˜nar e incorporar una pr´actica de filtros activos.
1.3.2.
Objetivos Espec´ıficos
Los objetivos espec´ıficos constan de tres puntos:
Definir y establecer el protocolo de comunicaci´on de la plataforma de entrenamiento para uso local o remoto.
Dise˜nar la interfaz de usuario que permita la manipulaci´on de la plataforma, en el cual se considere la medici´on de las variables de inter´es para ser observadas por el usuario.
CAP´ITULO 1. INTRODUCCI ´ON 2
Dise˜nar e implementar el hardware de un filtro activo y una carga no lineal compatible con la plataforma.
Cap´ıtulo 2
Marco te´
orico, conceptual e
hist´
orico
2.1.
Marco Te´
orico
2.1.1.
Teor´ıa de potencia instant´
anea p-q
Esta teor´ıa permite el c´alculo de potencia activa y no-activa en cualquier instante de tiempo, inclusive en transitorios. Esta calculo de p y q permiten la compensaci´on de las distorsiones de la red en tiempo real y en sistemas reales. Se basa en el c´alculo de p y q a trav´es de corrientes y voltajes en el dominio
α-β - 0 que se obtienen por la transformada Clarke de los voltajes y corrientes trif´asicos. F´ısicamente p es el flujo total de energ´ıa por unidad de tiempo y q es la energ´ıa que se intercambia entre las fases sin transferir energ´ıa [1].
2.1.2.
Conceptos de calidad de potencia
Con el objetivo de tener un mejor entendimiento de los fen´omenos que se tratan en este documento, se expondr´an los conceptos de factor de potencia y distorsi´on arm´onica. Adem´as se mostrara la im-portancia de estos indicadores entendiendo sus repercusiones en el sistema el´ectrico.
El factor de potencia convencional es aquel que expresa el desfase entre el voltaje y la corriente en la frecuencia fundamental del sistema. Tambi´en se puede expresar como el cociente de la potencia activa y la potencia compleja. El anterior tambi´en se conoce como factor de potencia de desplazamiento y que solo toma en cuenta la frecuencia fundamental del sistema. El factor de potencia total comprende el cociente de la potencia activa y la compleja para todas las frecuencias. Este ´ultimo tiene en cuenta algunos efectos del ruido arm´onico que est´an presentes en el sistema. Un factor de potencia bajo puede ocasionar sobrecarga en las l´ıneas de transmisi´on del sistema sin que se est´e transmitiendo efectiva-mente esta energ´ıa, disminuyen as´ı la eficiencia del sistema.
La distorsi´on arm´onica es la cantidad de frecuencias arm´onicas de la fundamental que se encuentran en la se˜nal, en este caso voltaje y corriente. Esta es producida por fen´omenos electromagn´eticos y cargas no lineales en el sistema que tienen formas de onda de corriente no sinusoidales. El THD es un indicador que permite conocer el contenido arm´onico total con respecto al total de la se˜nal o a su frecuencia fundamental. En la red es frecuente encontrar equipos altamente sensibles que pueden ser afectados por altos contenidos arm´onicos en el voltaje de alimentaci´on que impiden su correcto fun-cionamiento. Este contenido arm´onico en voltaje se debe en gran medida a las cargas no lineales que inducen corrientes arm´onicas que a al pasar por las impedancias de las l´ıneas de transmisi´on producen estas distorsiones de voltaje. Adem´as el alto contenido arm´onico en corriente disminuye el factor de
CAP´ITULO 2. MARCO TE ´ORICO, CONCEPTUAL E HIST ´ORICO 4
potencia, reduciendo as´ı la capacidad de transmisi´on de las l´ıneas.
2.1.3.
Compensaci´
on shunt
Este tipo de configuraci´on permite seleccionar los arm´onicos a compensar y se acomoda a los cambios en el contenido arm´onico. Adicionalmente puede realizar compensaci´on tanto de arm´onicos presentes en la fuente como en la carga (sin embargo es usado con mayor frecuencia para mitigar arm´onicos de las cargas).
El diagrama que se muestra en la figura 2.1 presenta la configuraci´on b´asica para compensar la co-rriente generada por los arm´onicos en la carga por medio de un filtro activo shunt.
Figura 2.1: Esquema de Filtro Activo para compensaci´on de corriente en Shunt[1]
La funci´on del filtro consiste en generar la corriente necesaria para que la corriente de la fuente sea sinoidal. Para ello recibe corrientes de compensaci´on de referencia, las cuales provienen de la etapa de control que se explica en detalle m´as adelante. Posteriormente, se utiliza un convertidor de potencia (un inversor en este caso) para sintetizar los valores de referencia, en este caso se utiliza un control por hist´eresis para manejar el disparo de los semiconductores.
2.1.4.
ESTRATEGIA DE CONTROL
La figura 2.2 contiene el diagrama de bloques de la estrategia de control utilizada para calcular los valores de las corrientes de compensaci´on.
El funcionamiento de esta estrategia parte de los valores trif´asicos de voltajes y corrientes en la car-ga. Posteriormente, utiliza la transformada de Clarke para calcular los valores equivalentes en el eje
CAP´ITULO 2. MARCO TE ´ORICO, CONCEPTUAL E HIST ´ORICO 5
Figura 2.2: Diagrama de bloques de control [1]
Cap´ıtulo 3
Metodolog´ıa del trabajo
Debido a que el proyecto consta de distintas partes, se mostrar´a a continuaci´on el procedimiento a seguir para cumplir cada una de las especificaciones.
3.1.
Procesamiento y Control
En esta secci´on se mostrara la metodolog´ıa para la implementaci´on del control del filtro activo.
3.1.1.
Cosimulaci´
on Filtro Activo en Labview-Multisim
El control del filtro activo de potencia esta basado en la teor´ıa p-q de la cual se habla en la secci´on 2.1. Para hacer la simulaci´on lo mas fiel posible, se uso la herramienta de cosimulaci´on de Labview con Multisim. El el procesamiento del control se implemento en Labview siguiendo el esquema mostrado en la secci´on 2.1.4. En Multisim se implemento un circuito base para comprobar el funcionamiento del control y ajustar la capacitancia y las inductancias necesarias para su optimo funcionamiento.
El esquem´atico del circuito base para el filtro activo se muestra en la figura 3.1 y en la figura 3.2. Este cuenta con un sistema de alimentaci´on trif´asico a una tensi´on nominal de 20,8Vl−l, una carga no
lineal Inductiva-Resistiva y un inversor trif´asico en paralelo el cual trabajara como el compensador de corriente. La parte DC del inversor consta unicamente de un condensador ya que no se inyectara energ´ıa adicional al sistema.
CAP´ITULO 3. METODOLOG´IA DEL TRABAJO 7
Figura 3.1: Fuente trif´asica y carga no lineal
Figura 3.2: Inversor trif´asico que compensa la corriente
Para comprobar el funcionamiento del filtro se grafic´o el voltaje de una fuente, la corriente de la fuente y la de la carga. Ademas se hall´o el porcentaje de distorsi´on arm´onica y el espectro arm´onico de las corrientes como se muestra en la figura 3.4.
CAP´ITULO 3. METODOLOG´IA DEL TRABAJO 8
Figura 3.3: Voltaje de una fase, corriente no lineal de la carga y corriente compensada.
Figura 3.4: Espectro arm´onico de la corriente de la carga y de la fuente
3.1.2.
Elegir Hardware para el Procesamiento
El requerimiento computacional para el control del filtro activo es alto, ademas el calculo se debe hacer en un intervalo de tiempo reducido. Por esto el hardware elegido para hacer el procesamiento es critico. Este modulo hardware debe tener la capacidad realizar los c´alculos necesarios en menos de 100µs, adquirir 13 se˜nales an´alogas, y ademas debe ser capaz de manejar 6 salidas digitales.
CAP´ITULO 3. METODOLOG´IA DEL TRABAJO 9
Como primera opci´on se planteo una fpga que por su naturaleza puede realizar los c´alculos en un tiempo mucho menor al requerido y posee las salidas digitales necesarias. Los inconvenientes de usarla son dos principalmente, el requerimiento de un ADC externo para adquirir las se˜nales y la dificultad para portar el control a una descripci´on por hardware. Ya que el objetivo no es tener un filtro activo de alto rendimiento sino tener una plataforma de aprendizaje, se descarto esta opci´on.
La siguiente opci´on era usar un DSP, un microcontrolador con buena capacidad de computo. Es-ta tecnolog´ıa permite tener las entradas an´alogas y salidas digitales necesarias para el filtro activo. Traducir el procesamiento a lenguaje C es mas sencillo y existe la posibilidad de simular el filtro con este c´odigo. La principal desventaja es la velocidad de procesamiento, la cual es menor a la de una fpga.
Finalmente se eligi´o un DSP fabricado por Texas Instruments, el TMS320F28027 de la familia piccolo, un microcontrolador para control en tiempo real que cuenta con un ADC de 12bits con mas de 13 entradas y m´odulos de comunicaci´on seriales que permiten un manejo f´acil del mismo desde otros dispositivos. Texas Instruments ofrece una tarjeta de desarrollo con este microcontrolador que posee una interfaz de programaci´on y comunicaci´on USB aislada el´ectricamente, esto permite una conexi´on segura para el usuario y el computador en caso de falla.
3.1.3.
Simulaci´
on del Filtro Activo con la Plataforma Elegida
El esquema de control simulado en Labview se port´o a lenguaje C para ser implementado en el micro-controlador. Este microcontrolador no cuenta con un modulo de operaciones en punto flotante pero posee unas librer´ıas para manejar n´umeros en punto flotante con representaciones en n´umeros de punto fijo. Estas librer´ıas tienen limitantes en cuanto a precisi´on y velocidad, pero no afectan en exceso el funcionamiento del control. Para reducir el tiempo de computo se redujo la cantidad de operaciones de divisi´on, debido su alto costo computacional. Para que el tiempo de computo no afectara el control de corriente por histeresis se implemento una interrupci´on por timer que ejecuta el control de corriente cada 30µs. El calculo y adquisici´on de datos del control principal tambi´en esta implementado por una interrupci´on por timer que lo ejecuta cada 80µs. Lo anterior permite conocer el periodo exacto del control para dise˜nar el filtro pasa bajas correctamente.
En el EDA/CAD Proteus 8 existe un modelo completo del microcontrolador de control, por esto se implemento el mismo circuito base del que se hablo en la secci´on 3.1.1. La diferencia es que el control lo ejecutaba el microcontrolador simulado y no Labview. Esta simulaci´on al incluir el microcontrolador, permite la comprobaci´on del c´odigo en lenguaje C del control. En este CAD se depuro el c´odigo y se realizaron varias optimizaciones del mismo. Por limitaciones del CAD no se pudo analizar el espectro en frecuencia de las corrientes del sistema, por lo que no se pudo evaluar cuantitativamente el rendi-miento del filtro con este control.
CAP´ITULO 3. METODOLOG´IA DEL TRABAJO 10
Figura 3.5: Gr´afica de tiempos de procesamiento. Se˜nales: (a) Alta mientras se efectua el procesamiento. (b) Alta en cada interrupci´on de control de corriente. (c) Flanco en cada interrupci´on de procesamiento. (d) Flanco en cada interrupci´on de control de corriente.
CAP´ITULO 3. METODOLOG´IA DEL TRABAJO 11
Se efectuaron pruebas de tiempos con salidas digitales del microcontrolador como se muestra en la figura 3.5 para asegurar que el control principal estuviera cumpliendo con los limites de tiempo esta-blecidos y se pudiera reducir el tiempo muerto, tiempo en el que el microcontrolador no hace c´alculos. En la figura 3.6 se muestra la corriente de la carga no lineal superpuesta con la corriente compensada. Con esta figura se puede observar que el control esta funcionando correctamente. La compensaci´on no es tan buena como la de la simulaci´on en Labview, esto se debe a las aproximaciones que se realizaron en el c´odigo. Esta diferencia no afecta notoriamente el filtro activo para la plataforma de aprendizaje.
3.2.
Plataforma F´ısica
En el dise˜no de la plataforma f´ısica se busco un sistema modular para dejar abierta la posibilidad de desarrollar diferentes practicas de laboratorio f´acilmente. Ademas de tener layout parecido a los esquem´aticos mostrados en la teor´ıa para una r´apida identificaci´on de las diferentes partes que lo com-ponen.
3.2.1.
Etapa de Potencia
En este modulo de la plataforma se encuentra el filtro activo de potencia con toda su instrumentaci´on.
Transistores
La selecci´on de los transistores es crucial para lograr una buena eficiencia, reducir tama˜no y cumplir con los requerimientos de velocidad. En el filtro activo dise˜nado se requiere de una frecuencia de swit-cheo m´axima de 100kHz. El voltaje m´aximo que deben soportar es de 45V y la corriente pico es de 5A. Debido a las especificaciones, la tecnolog´ıa Mosfet de transistores la mas adecuada.
Se buscaron Mosfets que tuvieran una baja resistencia de encendido y tuvieran una baja capacitancia de gate para reducir las perdidas por switcheo. El empaquetado tambi´en juega un papel importante, ya que afecta el tama˜no final del dispositivo y ademas agrega peque˜nas inductancias en las conexiones que pueden afectar la velocidad de encendido y apagado. Luego de estudiar las ofertas de Mosfet en el mercado se escogi´o el CSD18537NQ5A de Texas Instruments. Este cuenta con un voltaje de breakdown de 60V, una corriente pico m´axima de 72A, una corriente continua m´axima de 50A y una resistencia de encendido de 10mΩ con 10Vgs. El empaquetado de este dispositivo es peque˜no, superficial y sin
pines expuestos lo que reduce la inductancia de conexi´on.
Driver para Mosfet
Un componente clave para el el encendido y apagado de los Mosfets en esta configuraci´on es el driver para Mosfet. Este brinda una r´apida inyecci´on de carga en el gate del Mosfet para encenderlo r´ apida-mente. Ademas se encarga de manejar un capacitor de Bootstrap que forma una fuente flotante para que se pueda poner 12V entre el gate y el source del transistor del lado alto. Ya que se desea un tama˜no reducido y un control total sobre los Mosfet, se eligi´o el UCC27211, un driver para lados alto y bajo, capaz de manejar los dos transistores de manera independiente, incluye el diodo schottky embebido en el chip, soporta hasta 120V en el lado DC y una corriente pico de 4A para cargar y descargar r´apidamente el gate.
CAP´ITULO 3. METODOLOG´IA DEL TRABAJO 12
Medici´on de Corriente
La medici´on de corriente se puede hacer a trav´es de sensores de tipo hall o midiendo el voltaje sobre una resistencia conocida. Se prefiri´o la medici´on de voltaje sobre una resistencia porque permite buena precisi´on en el rango de losmA y una mejor velocidad que los sensores de tipo hall. Para la medici´on de estos voltajes se usan unos amplificadores dedicados a esta funci´on. Se usaron amplificadores de sensado de corriente en el lado alto, los LMP8481-S. Estos tienen un CMRR de 124dB que rechazar de la medici´on los voltajes sinusoidales de la fuente. La resistencia escogida para la medici´on es de 0,016Ω con una precisi´on de 0,1 %. Con esta selecci´on se obtiene un rango din´amico de +/−5,21A.
Medici´on de Voltaje
El voltaje sinusoidal de la fuente debe ser medido de forma diferencial con respecto a neutro con una salida de un solo terminal para que pueda ser medido posteriormente por un ADC de 3,3V. Para hacer este desacople se uso un amplificador diferencial INA148 que permite una medici´on diferencial con un voltaje de modo com´un m´aximo de +/−200V. Para reducir el voltaje a la entrada del amplificador se uso un puente de wheatstone que permite escalar de forma diferencial la se˜nal y ademas mantener una impedancia de thevenin igual en ambas terminales.
Dise˜no del circuito y PCB de la Etapa de Potencia
El dise˜no del circuito y PCB se realizo enfoc´andose en la mejora del rendimiento y la funcionalidad del sistema. En el lado DC del inversor se ubicaron 4 componentes que vale la pena resaltar. Se agrego un fusible r´apido para protecci´on de sobre-corriente. El condensador electrol´ıtico 150µF y un voltaje m´aximo de 80V con un circuito de protecci´on contra sobre-voltajes que descarga el exceso de energ´ıa cuando se superan 43V. Se pusieron conectores de banana hembra para alimentaci´on externa del lado DC o para medici´on directa del voltaje en el condensador. Por ultimo, un circuito de pre-carga de 12V para ayudar a reducir el transciente. Aunque el condensador en la implementaci´on inicial sera superficial, se agregaron through-holes para poner condensadores no superficiales en caso de necesitar un reemplazo.
En cuanto el inversor se efectuaron diferentes t´ecnicas para reducir las emisiones electromagn´eticas y mejorar el rendimiento del mismo. En cada rama del inversor se agregaron circuitos snubber para reducir los picos r´apidos de voltaje en el lado DC y reducir las emisiones electromagn´eticas. El driver de los transistores est´an lo mas cerca posible de los Mosfets para reducir la inductancia que se forma en las pistas del PCB, ademas se trataron de mantener cerca los caminos de gate y de source para que el campo magn´etico se redujera. En el camino al gate del transistor se agrego una resistencia para amortiguar la resonancia que se forma con la capacitancia del gate y la inductancia de las pistas, esto aumenta el tiempo de encendido pero reduce la posibilidad de da˜nar los Mosfets y las emisiones electromagn´eticas. Los drivers tienen condensadores cer´amicos con el camino mas corto posible a sus pines de alimentaci´on y bootstrap para reducir la resonancia de la que se hablo anteriormente, estos condensadores tienen una baja resistencia serie para permitirles descargarse r´apidamente.
Las se˜nales an´alogas de los sensores se trataron con especial cuidado para evitar interferencias que pudieran generar problemas en el control. La medici´on de corriente a trav´es del voltaje sobre la re-sistencia de medici´on maneja voltajes bajos, del orden de los mV. Por esto los amplificadores que se encargan de acondicionar esta se˜nal est´an lo mas cerca posible a su respectiva resistencia de me-dici´on y las pistas de esta son tratadas de forma diferencial, manteniendo las pistas lo mas paralela y cerca posible. Como estos amplificadores est´an lejos del punto de medici´on, se usaron divisores de voltajes distribuidos que ayudan a reducir el ruido por interferencia electromagn´etica. estas se˜nales tambi´en se alejaron de las inductancias de potencia para evitar una inducci´on de voltaje debido a estas.
CAP´ITULO 3. METODOLOG´IA DEL TRABAJO 13
3.2.2.
Fuente Trif´
asica y Carga
El sistema sera alimentado por un banco de transformadores en configuraci´on estrella-estrella. Este se alimentara con la red trif´asica de bajo voltaje. Los transformadores se fabricaron de una potencia de 96W a 12Vrms. Una inductancia de 10mH y un reostato, permite emular una carga altamente inductiva
como un lo es un motor DC. Esta carga tiene una potencia variable desde 87W hasta 160W.
3.2.3.
Adquisici´
on y Control
El circuito de adquisici´on de datos lo conforma un microcontrolador, circuitos de acondicionamien-to an´alogo y una interfaz USB. El microcontrolador se escogi´o bas´andose en los requerimientos de comunicaci´on, la cantidad de entradas del conversor an´alogo-digital y la resoluci´on del mismo. El mi-crocontrolador elegido es el AtXmega32A4 del fabricante Atmel. Este mimi-crocontrolador ofrece m´odulos de comunicaci´on UART e i2c. El modulo UART se usa para la comunicaci´on con el modulo USB y eli2c se usa para la comunicaci´on con el microcontrolador de control. La interfaz USB esta aislada el´ectricamente para proteger el computador y al usuario, en caso de falla en la etapa de potencia. El circuito de acondicionamiento an´alogo resta compuesto por un divisor de voltaje distribuido y un filtro pasa bajas. El divisor de voltaje distribuido permite reducir el ruido electromagn´etico y acondicionar el rango din´amico de voltaje para el ADC. El filtro pasa bajas filtra el ruido de alta frecuencia del switcheo en las se˜nales de las corrientes y en las de voltajes esta ajustado para filtrar el ruido de la red mientras mantiene la frecuencia fundamental invariante y con un cambio de fase despreciable. El circuito
El microcontrolador de control esta comunicado con el microcontrolador de adquisici´on por medio de una interfazi2c para modificar par´ametros del control desde el computador y permitir el encendido o
apagado del filtro por medio del mismo.
3.3.
Interfaz Hombre-Maquina
La interfaz esta implementada en Labview para una f´acil modificaci´on y re-implementaci´on para nuevas practicas con esta plataforma. La interfaz cuenta con 4 gr´aficas sincronizadas por disparo de flanco. Estas gr´aficas permiten la selecci´on de la se˜nal a visualizar, teniendo como opciones: Las corrientes de la carga, las corrientes de la fuente, las corrientes del filtro y los voltajes de la fuente. En cada opci´on se tiene el escalamiento indicado para la se˜nal, es decir que la magnitud que muestra es la correspondiente en Amperios o Voltios. Una gr´afica adicional muestra el voltaje en el lado DC para observar el rendimiento del control del mismo.
Los controles disponibles permiten manejar par´ametros del control del filtro activo y controlar la re-cepci´on de datos. Existen controles para modificar la ganancia proporcional e integral del control del voltaje DC, como tambi´en el porcentaje de funcionamiento del filtro para observar el efecto del filtro progresivamente.
CAP´ITULO 3. METODOLOG´IA DEL TRABAJO 14
CAP´ITULO 3. METODOLOG´IA DEL TRABAJO 15
CAP´ITULO 3. METODOLOG´IA DEL TRABAJO 16
Figura 3.9: Espectro arm´onico y porcentaje de distorsi´on arm´onica
El acceso remoto de la interfaz se implemento con el servidor web que ofrece Labview. Este permite tener protecci´on SSL para permitir un acceso controlado. Con este servidor se accede a la interfaz a trav´es de un explorador web como se muestra en la figura 3.10. Esto logra un acceso remoto f´acil para permitir mas horas de uso de la plataforma de aprendizaje.
CAP´ITULO 3. METODOLOG´IA DEL TRABAJO 17
Cap´ıtulo 4
Trabajo realizado
4.1.
Descripci´
on del Resultado Final
La plataforma se implemento satisfactoriamente en hardware y software. Se comprob´o el funciona-miento de la interfaz con la plataforma, la fuente de alimentaci´on trif´asica, la carga trif´asica no lineal, el inversor, la adquisici´on de datos y el control.
La caja de fusibles que se muestra en la figura 4.1 contiene las fusibles de 1A para proteger la platafor-ma. Este tambi´en contiene un switch que se encarga de seccionar las conexiones trif´asicas. Todo esta en una caja cerrada que evita el contacto con el usuario para prevenir accidentes.
Figura 4.1: Caja de fusibles y switch en el lado de 220V
El banco de transformadores posee 3 transformadores monof´asicos 110V/12V de 8 amperios RMS. Aunque estos se fabricaron a medida, la inexactitud es alta. Los voltajes RMS a la salida de cada uno es 13,11V, 12,95V y 12,89V. Esto genera un desbalance considerable a la salida del banco.
CAP´ITULO 4. TRABAJO REALIZADO 19
Figura 4.2: Banco de transformadores trif´asico
El modulo de control y adquisici´on contiene los dos microcontroladores, la interfaz con la etapa de potencia y la interfaz USB. Este modulo es completamente desmontable y permite el dise˜no de dife-rentes etapas de potencia para practicas de laboratorio difedife-rentes. Se comprob´o el funcionamiento de esta adquiriendo los datos desde el computador por USB y enviando comandos desde el mismo hasta el microcontrolador de control. Este se encuentra en la tarjeta de desarrollo que se encuentra en la parte superior del modulo de color rojo en la figura 4.3.
CAP´ITULO 4. TRABAJO REALIZADO 20
Figura 4.3: Modulo de control y adquisici´on de datos
El modulo de potencia es conformado por un inversor trif´asico, un bus trif´asico de 12V, y la ins-trumentaci´on para sensar las se˜nales de inter´es. Este modulo cuenta con entradas digitales para los transistores aisladas el´ectricamente para proteger el modulo de control. La instrumentaci´on permite el sensado de las 9 se˜nales de corriente y 4 voltajes.
CAP´ITULO 4. TRABAJO REALIZADO 21
Figura 4.4: Modulo de Potencia
La interfaz presenta gr´aficas de los voltajes y corrientes en tiempo real, adquiridos desde la plataforma, como se muestra en la figura 4.5. Se comprob´o que las se˜nales adquiridas por la plataforma son las mismas obtenidas por un osciloscopio para validar su correcto funcionamiento.Aqu´ı se puede obser-var la corriente no lineal de la carga con una alta distorsi´on arm´onica y el voltaje tambi´en distorsionado.
CAP´ITULO 4. TRABAJO REALIZADO 22
Figura 4.5: Gr´aficas de los voltajes y corrientes medidos en la plataforma.
El filtro se puso en marcha por primera vez, para comprobar el funcionamiento del inversor, con resistencias en serie al banco con el fin de limitar la corriente. Con esta configuraci´on se espera que el voltaje medido sea ruidoso pero se puede obtener un cambio en la corriente de la fuente debido al control del filtro activo. En la figura 4.6 est´an las se˜nales con el filtro apagado y en la figura 4.7 se muestra con el filtro encendido. Aunque el control del filtro no esta trabajando como debe, con esas gr´aficas validan el funcionamiento del inversor y de la etapa de potencia completa.
CAP´ITULO 4. TRABAJO REALIZADO 23
Figura 4.6: Gr´aficas de los voltajes y corrientes medidos con el filtro apagado.
Cap´ıtulo 5
Conclusiones y trabajos futuros
5.1.
Conclusiones
La plataforma de entrenamiento para laboratorios de electr´onica de potencia fue implementada con ´exito y deja abierta la posibilidad de ampliar sus practicas disponibles. El modulo de adquisici´on per-mite adquirir se˜nales que facilitan el entendimiento de los sistemas de electr´onica de potencia y valida el funcionamiento de los mismos, esto a trav´es de una interfaz USB aislada. El modulo de control usa un microcontrolador de 32bits con librer´ıas que permiten manejar c´alculos en punto flotante. Esto habilita la plataforma para controlar sistemas complejos que se pueden implementar como una practica de laboratorio mas. El modulo de potencia funciona como se esperaba pero el filtro activo no. Esto debido a problemas en la programaci´on del control que pueden ser solucionados en trabajos futuros. La interfaz en Labview permite ver las diferentes se˜nales que provienen del modulo de potencia y tiene la capacidad de modificar par´ametros en el modulo de control. Esta capacidad facilita la observaci´on de los cambios en el comportamiento del sistema en tiempo real dados ciertos par´ametros, sin la necesidad de conocimiento en programaci´on de microcontroladores.
El acceso remoto hace que esta plataforma sea usada en horarios libres y sin necesidad de estar presente en el laboratorio a la hora de hacer la practica. Esto permite tener cursos a distancia que antes no pod´ıan ser ejecutados debido a la necesidad de horas en laboratorio para aplicar lo visto en clase. El acceso remoto tambi´en permite aumentar la cantidad de usuarios por plataforma. Esto reduce el costo de laboratorios para instituciones con bajo presupuesto, debido a que se requerir´ıan menos plataformas para un mismo numero de usuarios.
5.2.
Trabajo Futuros
La plataforma de entrenamiento para laboratorios de electr´onica de potencia al ser modular permite que se desarrollen nuevas practicas de laboratorio. Esto seria posible con el dise˜no de m´odulos de potencia e interfaces acordes con el sistema de electr´onica de potencia que se pretende usar.
El acceso remoto puede ser mejorado con sistemas de planeaci´on de uso, que facilite la organizaci´on de los turnos de uso y rechace los usuarios no autorizados.
Bibliograf´ıa
[1] H. Akagi, E. Watanabe, and M. Aredes. Instantaneous Power Theory and Applications to Power Conditioning. Wiley-IEEE Press, 2007.
[2] H. Basher and S. Isa. On-campus and online virtual laboratory experiments with labview. In
SoutheastCon, 2006. Proceedings of the IEEE, pages 325–330, 2006.
[3] C. Cai, L. Wang, and G. Yin. A three-phase active power filter based on park transformation. In
Computer Science Education, 2009. ICCSE ’09. 4th International Conference on, pages 1221–1224, 2009.
[4] S. Garlapati and R. Gupta. Shunt active power filter as front end converter for dc loads. InPower Electronics (IICPE), 2012 IEEE 5th India International Conference on, pages 1–6, 2012.
[5] A. Gontean, R. Szabo, and I. Lie. Labview powered remote lab. In Design and Technology of Electronics Packages, (SIITME) 2009 15th International Symposium for, pages 335–340, 2009.
[6] G. Huang. Improved analysis for the benchmark system of an active power filter. In Compu-ter Science and Information Technology (ICCSIT), 2010 3rd IEEE InCompu-ternational Conference on, volume 6, pages 640–644, 2010.
[7] M. R. Iravani, E. D. Lavers, P. Lehn, D. Durbak, D. Fletcher, P. Wilson, R. Wachal, K. Sen, J. Martinez, B. Johnson, H. Tyll, B. Feero, A. Sannino, G. Sybille, and A. Keri. A benchmark system for digital time-domain simulation of an active power filter. Power Delivery, IEEE Transactions on, 20(1):234–241, 2005.
[8] S. Seifossadat, R. Kianinezhad, A. Ghasemi, and M. Monadi. Quality improvement of shunt active power filter, using optimized tuned harmonic passive filters. InPower Electronics, Electrical Drives, Automation and Motion, 2008. SPEEDAM 2008. International Symposium on, pages 1388–1393, 2008.
[9] WeiMinWu, L. Tong, M. Li, Z. Qian, Z. Lu, and F. Peng. A new control strategy for series type active power filter. InPower Electronics Specialists Conference, 2004. PESC 04. 2004 IEEE 35th Annual, volume 4, pages 3054–3059 Vol.4, 2004.
Ap´
endice A
Resumen Ejecutivo
IMPLEMENTACI ´
ON DE UNA PLATAFORMA DE
ENTRENAMIENTO PARA LABORATORIOS DE
POTENCIA CON UNA PR ´
ACTICA DE FILTROS
ACTIVOS DE POTENCIA
Estudiante: Nicol´as Zuluaga
Asesor: Gustavo Ramos PhD
En este proyecto de grado se pretende implementar una plataforma de aprendizaje que facilite el enten-dimiento de los filtros activos de potencia. Esta plataforma contara con un filtro activo shunt trif´asico para corregir factor de potencia y arm´onicas en la corriente. La carga sera una carga 100 % no lineal para evidenciar la compensaci´on mas f´acilmente. Permitir´a la conexi´on con un computador con una interfaz gr´afica que permitir´a observar par´ametros relevantes para el algoritmo y que permitir´a un control b´asico de la plataforma.
Objetivos del proyecto de grado
Dise˜nar una plataforma de entrenamiento para ser empleada de manera local y remota en labo-ratorios de sistemas de potencia. Dise˜nar e incorporar una pr´actica de filtros activos.
Descripci´on de los Objetivos Generales y Espec´ıficos
• Definir y establecer el protocolo de comunicaci´on de la plataforma de entrenamiento para uso local o remoto.
• Dise˜nar la interfaz de usuario que permita la manipulaci´on de la plataforma, en el cual se considere la medici´on de las variables de inter´es para ser observadas por el usuario.
• Dise˜nar e implementar el hardware de un filtro activo y una carga no lineal compatible con la plataforma.
Resultados Esperados.
Se espera tener una plataforma de aprendizaje de filtros activos de potencia tipo shunt. Esta plataforma contara con un filtro activo de potencia shunt funcional a baja potencia. En este filtro se haran las mediciones para facilitar el entendimiento por parte del usuario. La interfaz con el usuario sera una Interfaz grafica virtual en un computador con posibilidad de acceso remoto y de facil manejo.
