De esta forma se obtiene el diseño completo de un convertidor electrónico bidireccional monofásico con aislamiento galvánico, donde la transmisión de potencia se realiza por los componentes de alta frecuencia de la tensión alterna del VSI trifásico. Respuesta transitoria de voltaje intermedio a un cambio instantáneo de operación de descarga a operación de carga.
Antecedentes de la investigación
Control de la corriente requerida de la red, normalmente sinusoidal en fase con la tensión de red (reducido contenido armónico y alto factor de potencia). La conversión AC-DC para interactuar con la red eléctrica requiere un convertidor bidireccional adecuado.
Descripción de la problemática
Como alternativa a los convertidores de dos niveles, varios autores han propuesto convertidores de un solo nivel, donde el voltaje de CA de la red se convierte en voltaje de CA de alta frecuencia para garantizar el aislamiento galvánico. Es obvio que las configuraciones disponibles en la literatura no tienen en cuenta la posibilidad de transferencia de energía a través de los componentes de alta frecuencia de la tensión alterna generada por el VSI.
Formulación del problema
Problema general
Esta complejidad aumenta en aplicaciones trifásicas donde se requieren corrientes de red balanceadas y alto factor de potencia. Además, los convertidores CA-CA requieren capacidad de bloqueo inverso en los semiconductores, lo que lleva a la necesidad de asociaciones antiserie de transistores [10], que requieren al menos 16 semiconductores para aplicaciones trifásicas.
Problemas específicos
En comparación con la configuración de dos fases: ¿Cuáles son las ventajas de utilizar los componentes de alta frecuencia de la tensión de CA trifásica?
Objetivos
Objetivo general
Objetivos específicos
Hipótesis
Hipótesis general
Hipótesis específicas
La estrategia de modulación basada en la diferencia de fase garantiza la doble transferencia de potencia solo en la frecuencia de conmutación, como en un convertidor DAB-SR. El uso de componentes de CA VSI trifásicos reduce la cantidad de semiconductores necesarios para la conversión CA-CC bidireccional con aislamiento galvánico.
Alcance del trabajo de tesis
Organización del texto
El Capítulo V presenta los resultados obtenidos de la simulación computacional de los prototipos de una etapa (propuesta) y de dos etapas. Los resultados se presentan tanto para la operación en estado estable como para la respuesta transitoria.
VSI trifásico como rectificador controlado (Boost PFC)
- Operación de una pierna VSI con modulación SPWM
- VSI trifásico
- Conexión a la red y control de la corriente
- Dimensionamiento de la inductancia de filtro
Esta estrategia consiste en representar la tensión vxo(t) en función de las dos variables x e y definidas en las ecuaciones (2.5) y (2.6), donde θc es la fase inicial de la señal portadora. Obtención de la señal vxo en el dominio del tiempo a partir de la representación en el plano x-y-z.
Convertidor de doble puente activo resonante serie
- Principio de operación
- Análisis cuantitativo
- Condiciones de conmutación suave
- Dimensionamiento de componentes
- Modulación por ciclo de trabajo
La frecuencia de conmutación es ligeramente superior a la frecuencia de resonancia del tanque LC (ωr), definida en la ecuación (2.36); esto garantiza un comportamiento inductivo de la impedancia del tanque, lo que permite controlar el flujo de potencia desde el ángulo ϕ. De manera similar se determina la expresión (2.51) correspondiente al valor efectivo de la corriente en el tanque. Los valores negativos de la expresión (2.54) significan que la corriente se atrasa con respecto a v1, por lo que todos los interruptores del jumper activo primario funcionan con ZVS.
Valores positivos de la expresión (2.55) significan que la corriente que ve el secundario está por detrás de la tensión, por lo que todos los interruptores del puente activo del secundario trabajan con ZVS. A partir de la ecuación (2.65) se verifica que la adopción de la modulación por ciclo de trabajo incluye variables adicionales en la diferencia de fase y la ganancia de tensión. Sin embargo, si se considera un desfase variable α (ωαt), se puede obtener la modulación de la ecuación (2.66), permitiendo operar con dos componentes de frecuencia.
Configuración de dos etapas
- Dimensionamiento de componentes
- Estrategia de control
Por lo tanto, en esta sección se detalla la estrategia de control de la corriente de la red y el control del equilibrio entre los efectos de entrada y salida. El diagrama de bloques de la estrategia de control de corriente de fase se muestra en la Figura 2.14. Para el sistema trifásico balanceado y balanceado, la ecuación (2.88) expresa la función de transferencia aproximada de la corriente pico en el voltaje DC intermedio (Gvi).
Se considera un controlador proporcional integral (PIv) para el lazo de regulación de voltaje de CC. La ganancia proporcional se determina como la inversa de la magnitud de la función de transferencia Gvi a la frecuencia de corte, según la ecuación (2.90). La estrategia de control de equilibrio entre la potencia de entrada y salida está representada por el diagrama de bloques en la Fig. (2.16).
- Antecedentes
- Propuesta de convertidor AC-DC bidireccional de una sola etapa con aislamiento
- Principio de operación
- Semi-etapa VSI
- Semi-etapa AB-SR
- Análisis cuantitativo
- Análisis por componentes fundamentales
- Condicione de conmutación suave ZVS
- Supresión de componentes indeseadas en la corriente
- Dimensionamiento de componentes
- Semi-etapa VSI y desacoplamiento capacitivo
- Semi-etapa AB-SR
- Estrategia de control
- Comparación con la configuración de dos etapas
- Número de llaves activas
- Características del transformador de aislamiento
- Número de circuitos resonantes
- Resumen comparativo
El voltaje de entrada se define en la ecuación (3.1), donde el subíndice 10 en los voltajes de cada rama expresa el componente fundamental respectivo de la frecuencia portadora. El componente fundamental de la frecuencia portadora es el mismo para el voltaje de CA de las tres patas del VSI. Aplicando el criterio de análisis sinusoidal, la componente fundamental de la tensión v2 reflejada a la tensión primaria se define en la ecuación (3.5).
De la ecuación (3.6) se pueden derivar las expresiones (3.7) y (3.8) para los valores máximo y efectivo de la corriente en el tanque resonante. La frecuencia de conmutación del puente activo en la salida debe ser la misma que la frecuencia portadora del VSI de media fase. Cuando se haya considerado un factor del 10% en el valor máximo de la corriente del tanque en la configuración propuesta debido a la presencia de componentes de banda lateral.
Dimensionamiento de componentes
- Semi-etapa VSI
- Semi-etapa AB-SR
- Componentes para configuración de dos etapas
- Resumen
Con el valor de la ecuación (4.1) y el porcentaje de rizado de corriente (Tabla 4.1), se determina el rizado de corriente en amperios, lo que, sustituido en la expresión (2.34), permite obtener el valor de la inductancia, según la ecuación (4.2 ). El índice de modulación se determina sustituyendo los valores de la tabla 4.1 en la expresión (3.23), y obteniendo la ecuación (4.3). El valor RMS de la componente fundamental de la corriente se determina sustituyendo los parámetros del sistema en la expresión (3.8), obteniendo así la ecuación (4.11).
Conociendo la tensión y la corriente en el transformador, la potencia aparente correspondiente se determina según la ecuación (4.16). Esto representa una forma de onda sinusoidal práctica a la frecuencia de conmutación cuyo valor rms se determina según la ecuación (2.51). Usando la ecuación (4.23), la potencia aparente del transformador se determina de acuerdo con la ecuación (4.24).
Diseño de los controladores
- Controlador de corriente de red
- Controlador de tensión DC intermedia
Usando las expresiones (2.84) y (2.85), las ganancias proporcional y resonante del regulador de corriente se determinan de acuerdo con las ecuaciones (4.24) y (4.25). El efecto del controlador se puede ver en los diagramas de Bode de bucle compensado y el diagrama de Bode de bucle cerrado en las Figuras 4.2 y 4.3 respectivamente. En estos diagramas de Bode se puede verificar que el controlador PR diseñado cumple con las especificaciones deseadas, con una frecuencia de corte de unos 6kHz y un margen de fase de 90°.
La función del regulador de tensión DC es mantenerla en un valor fijo (800V) asegurando así el equilibrio entre la potencia de entrada y salida. El diseño del regulador de tensión se realiza en base a la función de transferencia estimada, Ecuación (4.27), obtenida a partir de la Ecuación (2.88) y cuyo diagrama de Bode se muestra en la Figura 4.4. El efecto del regulador de voltaje se puede ver en los gráficos inferiores de las Figuras 4.5 y 4.6.
Régimen permanente
- Operación de carga
- Operación de descarga
La Figura 5.3 muestra la corriente de salida (rojo) y el voltaje (azul), considerando una escala de tiempo de 400ms. Corriente de salida (rojo) y voltaje (azul) para operación de carga de potencia nominal: (a) Configuración propuesta; (b) Configuración de dos etapas. Las formas de onda de la tensión intermedia se muestran en la figura 5.7, donde se considera una escala de tiempo de 400ms.
Las formas de onda de corriente (rojo) y voltaje (azul) de salida se muestran en la Figura 5.8, con una escala de tiempo de 400 ms. Las formas de onda de las corrientes de fase (roja, azul y verde) y las tensiones de red (rosa, celeste y naranja) se muestran en la Figura 5.9 con una escala de tiempo de 50 ms. La forma de onda de voltaje intermedio se muestra en la Figura 5.12 considerando una escala de tiempo de 400 ms.
Régimen transitorio
- Variación de operación de carga hacia operación de descarga
- Variación de operación de descarga hacia operación de carga
Tensión intermedia para operación de descarga con potencia nominal: (a) Configuración propuesta; (b) Configuración de dos etapas. Respuesta transitoria de la corriente de salida frente a un cambio instantáneo de operación de carga a operación de descarga: (a) Configuración propuesta; (b). En el caso de la configuración propuesta, el tiempo de establecimiento es de 5,72ms con un valor máximo de 920V, lo que corresponde a un sobreimpulso del 15%.
Respuesta transitoria de la tensión intermedia a un cambio instantáneo de operación de carga a operación de descarga: (a) Configuración propuesta; (b). Respuesta transitoria de corriente de salida a un cambio instantáneo de operación de descarga a carga: (a) Configuración propuesta; (b). Respuesta transitoria de la tensión intermedia a un cambio instantáneo de operación de descarga a operación de carga: (a) Configuración propuesta; (b).
Análisis de resultados
De acuerdo a lo mostrado en las Figuras 5.13(a) y 5.16(a), el sistema de control garantiza el balance instantáneo de potencia al controlar la tensión intermedia aún con variaciones bruscas en la potencia de salida. El tiempo máximo de estabilización es de 8,53 ms, para una variación de potencia de salida de 24 kW a -24 kW, con un sobreimpulso del 15 %. Para la variación de potencia de salida de -24kW a 24kW, el tiempo de estabilización fue de 6,48 ms con un rebasamiento de solo el 5,75%.
Como se muestra en las Figuras 5.12(a) y 5.15(a), el control de corriente garantiza una rápida respuesta a las variaciones de carga, obteniendo los valores deseados en menos de medio ciclo de red (8.33ms).
Contrastación de hipótesis
Además, los resultados obtenidos en la simulación computacional del convertidor propuesto son bastante cercanos a los obtenidos en la simulación de la configuración de dos etapas, tanto en el estado estacionario como en la respuesta transitoria al cambio repentino en la potencia de salida. También se verifica que el convertidor propuesto funciona bajo principios similares a la configuración de dos etapas, conservando las ventajas de VSI para la interacción de la red y DAB-SR para el control de la potencia de salida a través del ángulo de fase. De las expresiones analíticas que describen matemáticamente el comportamiento de la tensión alterna en cada pata de un VSI trifásico, se puede deducir que la forma de beneficiarse de los componentes de alta frecuencia es a través de la conexión directa de la tensión de punto medio de cada pata.
El principio de funcionamiento del convertidor diseñado es análogo al de la configuración de dos etapas, que consta de un VSI y un DAB-SR. Con base en los resultados de la simulación por computadora del sistema de 24 kW, se confirma la funcionalidad de la configuración propuesta. La validación preliminar del convertidor motiva el desarrollo de un prototipo de laboratorio para confirmar la funcionalidad práctica de la propuesta y su viabilidad como producto industrial.
