Diseño e Implementación de un convertidor monofásico de dos niveles en configuración puente H aplicando modulación PWM

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(1)Diseño e Implementación de un convertidor monofásico de dos niveles en configuración puente H aplicando modulación PWM. Daniel Felipe Reyes Cuervo Juan Pablo Franco Cardona.

(2) Diseño e Implementación de un convertidor monofásico de dos niveles en configuración puente H aplicando modulación PWM. Daniel Felipe Reyes Cuervo Juan Pablo Franco Cardona Trabajo de grado presentado como requisito parcial para optar al tt́ulo de Ingeniero Electricista. Pereira, Junio de 2018 UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA DE PEREIRA Programa de Ingenierı́a Eléctrica..

(3) Diseño e Implementación de un convertidor monofásico de dos niveles en configuración puente H aplicando modulación PWM c Daniel Felipe Reyes Cuervo Juan Pablo Franco Cardona. CoDirector: Daniel Fernando Patiño Ipus Director: Alexander Molina Cabrera. Pereira, Junio de 2018 Programa de Ingenierı́a Eléctrica. Universidad Tecnológica de Pereira La Julita. Pereira(Colombia) TEL: (+57)(6)3137122 www.utp.edu.co Versión web disponible en: http://recursosbiblioteca.utp.edu.co/tesisd/index.html. i.

(4) Agradecimientos Inicialmente se tiene un sentido de gratitud con la Universidad Tecnológica de Pereira quien nos abrió las puertas a un universo de conocimiento y nos facilito todo para poder visualizarnos en mejores condiciones y panoramas a los que brindan las pequeñas ciudades en crecimiento. De manera general se le agradece a nuestro director de tesis el doctor Alexander Molina Cabrera quien se mostró siempre interesado en nuestro proceso y nos acompaño de la mejor manera aconsejándonos para optimizar nuestro trabajo de investigacion formativo, gracias a el por su ayuda y su comprensión. A todas las personas que hicieron parte de este proyecto aportando su conocimiento, tiempo y dedicación, en especial al ingeniero Daniel Fernando Patiño Ipus codirector de la tesis quien nos facilito su laboratorio para realizar la investigación y tomar las pruebas, además de su permanente tutorı́a, disposición y supervisión durante todo el trabajo de grado, por ultimo a nuestras familias por el apoyo brindado a diario sin ellas nada de esto hubiera sido posible.. ii.

(5) Resumen Este trabajo de grado es la aplicación de los conceptos adquiridos acerca de los convertidores bidireccionales durante el pregrado para diseñar e implementar un convertidor monofásico en configuración puente H de dos niveles mediante modulación PWM, analizando su comportamiento frente a una carga y optimizando el modelo a través de la utilización de una PCB en la que se integro el circuito diseñado para la realización de las pruebas en su posterior implementación fı́sica y su respectivo control programado. Principalmente se investigo acerca de los elementos óptimos para la construcción del modelo, a medida que se fueron realizando pruebas al modelo se iban incluyendo restricciones como costos de materiales, eficiencia y comportamiento en conjunto con los demás elementos del dispositivo para conformar el convertidor que se deseaba. Se diseño el circuito integrado en EAGLE y se imprimió en la baquela para soldar los elementos previamente seleccionados en la configuración que se implemento, se modelo el puente H en Simulink de Matlab y se visualizaron las formas de onda correspondientes. Se integraron los componentes del diseño fisico con los códigos que se programaron en la plataforma de Arduino para generar los pulsos de activación de los optocopladores y la modulación de la señal. La alimentación de una baterı́a de 12V DC en el puente H que es fı́sicamente formado por 4 Mosfet soldados a la PCB, tienen sus respectivos aislantes y disipadores de calor, con terminales a la carga donde esta conectado a un transformador que eleva el voltaje de 6V a 120V para cargar la baterı́a de un celular. Finalmente se prueba el convertidor como dispositivo electrónico implementado con su circuito de control(Arduino) alimentado por el computador y su circuito de potencia donde va conectada la carga, se compacta todo el convertidor en una caja de acrı́lico y se adecuan las entradas y salidas de los pines y cables de alimentación.. iii.

(6) Tabla de Contenido 1 Introducción y Metodologı́a 1.1 Planteamiento Del Problema . . . 1.2 Justificación . . . . . . . . . . . . 1.3 Objetivos . . . . . . . . . . . . . 1.3.1 General . . . . . . . . . . 1.3.2 Especı́ficos . . . . . . . . . 1.4 Estado Del Arte . . . . . . . . . . 1.5 Principales Resultados . . . . . . 1.6 Estructura Del Trabajo De Grado. . . . . . . . .. 1 2 4 6 6 6 6 8 8. 2 Desarrollo 2.1 Sistema Propuesto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2 Modulación PWM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.3 Modulación SVM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 9 11 14 16. 3 Análisis De Resultados 3.1 Diseño Propuesto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.2 Pruebas Y Resultados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 17 17 22. 4 Conclusiones, Aportes Y Recomendaciones 4.1 Conclusiones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.2 Aportes Y Recomendaciones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.3 Futuros Trabajos De Investigación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 27 27 28 28. 5 Bibliografı́a 5.1 Referencias . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 29 29. 6 Anexos. 31. . . . . . . . .. . . . . . . . .. iv. . . . . . . . .. . . . . . . . .. . . . . . . . .. . . . . . . . .. . . . . . . . .. . . . . . . . .. . . . . . . . .. . . . . . . . .. . . . . . . . .. . . . . . . . .. . . . . . . . .. . . . . . . . .. . . . . . . . .. . . . . . . . .. . . . . . . . .. . . . . . . . .. . . . . . . . .. . . . . . . . .. . . . . . . . .. . . . . . . . .. . . . . . . . ..

(7) Capı́tulo 1 Introducción y Metodologı́a Los convertidores bidireccionales se han vuelto componentes fundamentales en las redes de distribución actuales, debido a que son utilizados para realizar el acoplamiento de la red y los dispositivos de almacenamiento de energı́as renovables. Esta integración abarca varios aspectos en lo que respecta a la calidad de la energı́a, estabilidad transitoria y la estabilidad del voltaje. La generación distribuida cuenta con caracterı́sticas variables que influyen en su determinación por lo que no se puede tener certeza de su disponibilidad, siendo poco confiables para el sistema eléctrico al comportarse de manera ineficiente bajo condiciones de trabajo poco favorables, además de requerir dispositivos para controlar la energı́a generada y su inyección en la red.[9] Los dispositivos para realizar esta integración son los inversores diseñados para conectar los dos sistemas a igual nivel de voltaje, fase , secuencia y frecuencia, además de controlar la potencia inyectada en la red. Actualmente podemos evidenciar la influencia de la electrónica de potencia y de los dispositivos integrados que están abriéndose campo en las aplicaciones industriales, como en redes inteligentes y en nuevas alternativas de generación renovable o almacenamiento rentable. Los inversores están considerándose como elementos funcionales y de gran utilidad en sistemas que requieran conversión de corriente directa a corriente alterna y en redes que operen con flujos de potencia bidireccionales.[9] Los convertidores o inversores son dispositivos electrónicos utilizados en varias aplicaciones como por ejemplo en las UPS en donde se encuentran acompañadas de otros componentes que los complementan o en vehı́culos donde se deseen alimentar dispositivos que requieran 1.

(8) Capı́tulo 1. Introducción y Metodologı́a. 2. de energı́a eléctrica. Una de las aplicaciones que llama mas la atención es que pueden ser utilizados para mejorar el factor de potencia de manera que podrı́an ser reemplazados por los bancos de capacitores los cuales son usados por los centros comerciales y las industrias para la corrección del mismo , resultando más costosos al requerir PLC en su implementación además de que cuentan con topologı́as mucho más voluminosas que si se implementaran tres convertidores monofásicos o un convertidor trifásico para este mismo fin. El diseño propuesto será una alternativa de implementación que se caracterice por su seguridad, funcionalidad y economı́a, ya que se utilizaran dispositivos electrónicos que facilitan su montaje para realizar las pruebas , además de la utilización de software de diseño integrado, software de simulación del comportamiento del puente H(Simulink), software de Arduino para la ejecución de los pulsos y la modulación, utilización de técnicas para plasmar nuestro integrado en una baquela y presentar un modelo mas compacto luego de haber realizado las correspondientes pruebas en una protoboard. La conversión multinivel puede considerarse un área joven en el entorno de la conversión de energı́a, presentando unas expectativas que prometen una mas amplia aplicación en el futuro. En los últimos años se ha considerado como una opción competitiva para la conversión de energı́a y se puede evidenciar un incremento significativo en el numero de aplicaciones. [10] Durante este proyecto se diseñará y se implementará un modelo practicó acompañado de pruebas con diferentes cargas registrando los resultados y analizándolos de acuerdo a la fundamentación teórica anexada para la investigación y el proceso desarrollado.. 1.1. Planteamiento Del Problema. El surgimiento de inquietudes respecto a la implementación de un convertidor monofásico diseñado en configuración puente H con modulación por ancho de pulso de dos niveles y modulación de espacio vectorial fue la principal razón por la que se piensa en la realización de este trabajo investigativo , debido a que durante nuestra formación académica pudimos conocer teóricamente el funcionamiento de estos dispositivos de electrónica de potencia, al igual que sus ventajas y restricciones, ya que mediante los laboratorios se lograron obtener resultados de simulaciones y algunas discusiones al rededor del tema , nace la necesidad de diseñar e implementar nuestro prototipo basado en los conocimientos adquiridos y teniendo en cuenta criterios de diseño que se acomodan a fines investigativos para realizar las pruebas comparativas del modelo real y el modelo de simulación ejecutado en Simulink de Matlab. www.utp.edu.co.

(9) Capı́tulo 1. Introducción y Metodologı́a. 3. De igual manera se buscó utilizar las herramientas actuales que se encuentran a disposición del conocimiento como son las tarjetas arduino con su respectivo lenguaje de programación y los diseños de la PCB en Eagle con pistas amplias adecuadas a la acomodación de las borneras y las caracterı́sticas de operación de los Mosfet para llegar a un diseño más simplificado y eficiente, al tratarse de micro-controladores de fácil adquisición con software libre, además de la utilización de la baquela impresa para conformar un dispositivo único que permita realizar la conversión de C.C a C.A . Se requiere aportar mediante el diseño de un inversor de bajo costo e implementarlo fı́sicamente a través de la interfaz de arduino para poder controlar los pulsos y obtener los resultados tanto en magnitud como gráficamente, cada clase de convertidor puede emplear dispositivos de conmutación con activación controlada(IGBT,MOSFET,ENTRE OTROS) que utilizan señales de control por lo general con modulación PWM buscando generar un voltaje de salida AC.[11] Con el fin de realizarle pruebas para tomar los resultados y analizarlos de manera comparativa con los obtenidos en las simulaciones del mismo, al igual se propone un modelo monofásico para utilizarlo como filtro activo en el mejoramiento del factor de potencia e implementado con modulación PWM por medio de Arduino para futuros proyectos de investigación. Inicialmente se debe partir desde el conocimiento que se adquirió durante el curso de electrónica de potencia y de las prácticas de laboratorio las cuales fueron realizadas en Simulink para ası́ entender la necesidad de buscar una implementación fı́sica viable para aplicaciones en los que el convertidor pueda se utilizado como fuente de corriente o como fuente de tensión utilizando primeramente las herramientas facilitadas por la universidad . En los convertidores las formas de onda del voltaje de salida se espera que sean senoidales, sin embargo en la realidad no es ası́ debido al contenido de armónicos, para aplicaciones de media y baja potencia estas perturbaciones no son tan notables y pueden ser aceptados voltajes de onda casi cuadrada, pero para potencia si es necesario bajo contenido de armónicos en las formas de onda, debido a que la respuesta de los dispositivos semiconductores de potencia es rápida se reducen los armónicos mediante diversas técnicas de conmutación. [11]. www.utp.edu.co.

(10) Capı́tulo 1. Introducción y Metodologı́a. 1.2. 4. Justificación. En efecto del gran auge de la tecnologı́a y la considerable reducción en tamaño de los componentes internos que encontramos en un dispositivo electrónico hoy en dı́a, se cuentan con cantidad de elementos que pueden ser reemplazados por otros que cumplan la misma función y que sean mejores en cuanto a velocidad de respuesta o caracterı́sticas operativas, de acuerdo con esto se entiende la necesidad de diseñar un convertidor con los componentes adecuados, es decir: eficientes, económicos, confiables y aptos para su implementación en sistemas eléctricos. La importancia de conocer el funcionamiento del circuito y su comportamiento obtenido en los simuladores es fundamental para avanzar en el diseño y la implementación del convertidor, también es adecuado recalcar que se debe contar con un lugar donde se realicen pruebas constantes y un seguimiento permanente durante la investigación para detectar que componentes podrı́an ser reemplazados fı́sicamente al igual que se pueda modificar el diseño de acuerdo a lo que se necesita, es decir un buen manejo del software EAGLE para distribuir de la mejor manera las conexiones entre los elementos del circuito impreso y manejo de arduino para poder implementar el micro-controlador con su respectiva lógica de programación. Para la implementación se requieren los 4 MOSFET sobre un circuito diseñado y adecuado con dos borneras en las cuales se conectan la carga, la alimentación DC y las compuertas (Gate) de los MOSFET para conectarlos a los dispositivos encargados de activar la conmutación. Los drivers cumplen funciones como protección local contra fallas, aislamiento de los circuitos de control con los niveles elevados de tensión y generan señales que activan los dispositivos de potencia. Existen otro tipo de técnicas para manejar el puente inversor, pero las modulaciones de un pulso por semi ciclo, varios pulsos por semi ciclo y sinusoidal permiten una fácil implementación, además de ser técnicas usadas para sistemas monofásicos. La modulación de ancho de pulsos sinusoidal presenta varios pulsos por semi ciclo y el ancho de sus pulsos varı́a en forma proporcional a la variación de la amplitud de una onda sinusoidal. Esta técnica de modulación puede trabajarse de forma unipolar o bipolar, siendo la unipolar de mejor comportamiento que la bipolar, pero que requiere mayor tiempo de procesamiento en la unidad de control para su generación, por lo cual nos centraremos sólo en la modulación sinusoidal bipolar. [2]. Con este trabajo desarrollado se pretende implementar uno de estos convertidores de corriente diseñado, de manera que se ponga a prueba su funcionamiento fı́sicamente y sea acorde con los resultados que se obtienen en la simulación al utilizar Simulink de Matlab www.utp.edu.co.

(11) Capı́tulo 1. Introducción y Metodologı́a. 5. para modelar el convertidor monofásico en configuración puente H e igualmente implementar modulación PWM mediante Arduino. Para esto se requiere de un diseño integrado y una implementación organizada dando el uso correcto a estos dispositivos bajo los criterios de economı́a y poca ocupación de espacio, acomodándolos a las condiciones deseadas para reducir la topologı́a del circuito.. www.utp.edu.co.

(12) Capı́tulo 1. Introducción y Metodologı́a. 1.3 1.3.1. 6. Objetivos General. Diseñar e Implementar un convertidor monofásico de dos niveles en configuración puente H aplicando modulación PWM .. 1.3.2. Especı́ficos. • Alcanzar el estado del arte en inversor monofásico puente H,estrategias de modulación. • Diseñar y simular un inversor puente H. • Implementar el inversor monofásico en configuración puente H. • Realizar pruebas y toma de resultados. • Documentar el desarrollo de la investigación.. 1.4. Estado Del Arte. Actualmente se encuentran variedad de artı́culos, tesis, trabajos de investigación y demás documentos que incluyen la configuración de puente completo o puente H elegida para proyectos en los que se desean enseñar el funcionamiento de convertidores caracterı́sticas similares al de nuestro trabajo de grado. El inversor tipo puente completo se compone de 4 IGBT’s que trabajan como interruptores ideales, los cuales puede ser conectados y desconectados en forma sincronizada para colocar un nivel de voltaje de CC sobre la carga con referencia positiva y negativa [3]. Dentro de las herramientas utilizadas en el desarrollo de este proyecto se usó el diseño integrado como alternativa viable para la implementación debido a su acomodación y a los requerimientos de espacio y costo. Se encuentra la propuesta de usar el diseño integrado como una alternativa útil dentro del mercado competitivo en el que se debe tener una certeza de operación bajo condiciones flexibles y con fácil adecuación a cambios en las especificaciones. [4] La importancia de realizar esta investigación tiene más relevancia a nivel local ya que se busca llevarlo a las aplicaciones industriales de nuestra ciudad o por lo menos plantear un modelo para su mejoramiento en otro trabajo de formación investigativa debido a limitantes www.utp.edu.co.

(13) Capı́tulo 1. Introducción y Metodologı́a. 7. en materia de investigación y pocos recursos para libre experimentación. La implementación de los inversores monofásicos en configuración puente H requiere de constantes pruebas y ha sido realizada en diferentes aplicaciones como es el caso de las UPS y de las energı́as renovables. Actualmente se encuentran estudios acerca de inversores monofásicos al igual que sobre implementación PWM en estos convertidores diseñados y utilizados para redes con flujo bidireccional. Se precisan condiciones en las que se requiere convertir la energı́a obtenida de fuentes renovables ya que en el caso de la energı́a fotovoltaica se obtiene en corriente continua y en el caso de la eólica se obtiene alterna con frecuencia variable, Estos inversores deben operar como una fuente de corriente en fase con la tensión de red, inyectando potencia a la red de distribución [5] El inversor monofásico con topologı́a de puente completo y empleando un esquema de Modulación por Ancho de Pulso (PWM) ha sido ampliamente usado en Sistemas de Alimentación Ininterrumpida (UPS) [6] Se localizan diseños con el objetivo de comprobar la teorı́a de que los inversores conectados paralelamente se reparten la potencia inyectada a la carga proporcionalmente a sus impedancias y para conectarlo a la red eléctrica partiendo de fuentes renovables, el control del inversor ha sido desarrollado mediante una tarjeta DSP. [6] Se observa como se desarrollo el modelo y la implementación de un inversor monofásico conectado a la red mediante fuentes renovables de energı́a. Los controladores son obtenidos por medio del análisis aplicado al modelo en pequeña señal mediante el modelo del conmutador PWM y de la aproximación del inversor a un convertidor Buck. Se realizan simulaciones y pruebas experimentales con el objetivo de verificar la respuesta transitoria y en estado estable del inversor. [7] Se encuentran diferentes publicaciones de universidades donde se han implementado diseños para varias aplicaciones dependiendo de los intereses de cada uno de estos profesionales, ya que son realizados en maestrı́as o especializaciones. Estudiantes de la maestrı́a de ingenierı́a electrónica de la Pontificia Universidad Javeriana realizaron su tesis en diseño y prueba de inversores monofásicos independientes con capacidad de conexión en paralelo para alimentar cargas lineales y no lineales, en la cual modelaron el inversor con la configuración puente H y utilizaron modulación unipolar para la conmutación de los Mosfet en el puente. [8]. www.utp.edu.co.

(14) Capı́tulo 1. Introducción y Metodologı́a. 1.5. 8. Principales Resultados. Los principales resultados obtenidos son los siguientes: • Diseño. • implementación real. • Simulaciones realizadas. • Comparación de resultados ideales de simulación y prácticos de implementación. • Registro de formas de onda, pruebas de modulación y datos obtenidos.. 1.6. Estructura Del Trabajo De Grado. Este documento se divide en 5 capı́tulos. En el primer capı́tulo se realiza la introducción al tema y la metodologı́a en donde se realiza el planteamiento del problema que se desea afrontar para darle una óptima solución por medio del sistema propuesto, en el segundo capı́tulo se desarrollan los aspectos teóricos que sientan las bases y dan las herramientas para proceder a diseñar nuestro modelo. En el tercer capı́tulo se analizan los resultados y se explican las aplicaciones a las que se pueden adaptar estos aspectos teóricos desarrollados, el cuarto capı́tulo presenta las conclusiones a las que se llegaron luego del trabajo investigativo y de la implementación fı́sica del modelo propuesto, al igual que se discute un poco acerca de los trabajos de formación investigativa que puedan surgir a partir de esta tesis , por ultimo se tiene el quinto capı́tulo en el que se encuentran las referencias bibliográficas y los documentos o imágenes anexos.. www.utp.edu.co.

(15) Capı́tulo 2 Desarrollo Es importante tener en cuenta que dependiendo si la entrada DC es una fuente de voltaje o es una fuente de corriente los convertidores electrónicos se pueden implementar asi: Fuentes de tensión (Voltage Source Inverter, VSI) Fuentes de corriente (Current Source Inverter, CSI A continuación se explicaran más detalladamente cada una de ellas. Fuente de tensión conmutada (VSI). Este tipo de convertidor tiene un lado DC donde el voltaje mantiene su polaridad aunque la corriente fluye en cualquier dirección para generar tensión AC a partir de allı́ , esta tensión puede ser variada en magnitud, frecuencia y ángulo de fase, solo se puede construir con válvulas que controlen el apagado. Los sistemas VSI trifásicos generan la tensión AC de dos formas, por suicheo a frecuencia fundamental (Fundamental Frequency Switching, FFS) o por modulación de ancho de pulso (Pulse Width Modulation, PWM). La fuente de voltaje DC más basica para un VSI seria un banco de baterı́as o también podrı́an ser unas celulas solares fotovoltaicas, su circuito tiene control directo sobre la salida (tensión AC) y las formas de onda de salida ya que por un VSI ideal las formas de onda deben ser independientes de la carga conectada en la salida.[12] En los convertidores usados comúnmente en los hogares , el voltaje de la baterı́a puede ser 12 voltios y el circuito inversor suministrar una tensión alterna de aproximadamente 10 voltios (rms) para lo cual se intensifica el voltaje de salida del inversor utilizando un transformador 9.

(16) Capı́tulo 2. Desarrollo. 10. para carga, por ejemplo de 230 voltios. Este tipo de inversores se utilizan para la alimentación de aparatos electrónicos y electromecánicos con mando en DC como contactores, motores DC, temporizadores, PLC, sensores, displays, SSR y otros aparatos usualmente utilizados en las instalaciones de automatización. generalmente cuentan con protecciones para cortocircuito, sobrecarga y picos de tensión de entrada. tiene indicadores LED en señal de tensión demasiado baja y LED en señal de alimentación.[11] • Fuente de corriente conmutada (CSI). Los convertidores basados en CSI o Current Source Innverter generan una corriente AC a partir de la fuente de corriente DC, pueden ser construidos con válvulas convencionales (ejemplo los rectificadores), o en estructuras avanzadas con válvulas con apagado controlado (ejemplo sistemas Superconducting Magnetic Energy Storage, SMES). Las aplicaciones de CSI avanzados están aún en etapas de desarrollo, o al nivel de prototipos avanzados en laboratorio, comparando estos nuevos dispositivos con los FACTS clásicos se puede notar que los VSI y CSI no dependen de la red, pudiendo operar aun sobre redes y/o cargas pasivas. En los convertidores construidos con válvulas de encendido y apagado controlado el suicheo puede realizarse muchas veces por cada ciclo del voltaje AC de salida, ası́ voltaje y corriente pueden ser modulados para generar menos armónicos, o generar armónicos de frecuencias altas, mucho más sencillos de filtrar, por ello se está imponiendo el uso de convertidores basados en PWM. Los CSI poseen control inherente de la corriente de cortocircuito. La estructura básica para organizar convertidores complejos es el convertidor de 6 pulsos. Los convertidores CSI de 6 pulsos no producen tercer armónico, simplificando el transformador de acople que no requiere la conexión de devanados en serie para filtrado. Son posible convertidores con eliminación de armónicos (filtros activos). Las válvulas utilizadas en los convertidores VSI y CSI, permiten una mayor rapidez de respuesta sobre ellos. el CSI controla directamente la corriente de salida (ac) Los VSI y los CSI pueden operar con cualquier factor de potencia, hasta hoy los convertidores VSI han probado ser más prácticos y económicos, por lo cual es el tipo de convertidor preferido en los FACTS actuales. [11] Actualmente se encuentran estudios de diferentes universidades acerca de inversores monofásicos al igual que sobre implementación PWM en estos convertidores diseñados y utilizados para redes con flujo bidireccional.. www.utp.edu.co.

(17) Capı́tulo 2. Desarrollo. 11. Considerando un sistema de accionamiento eléctrico, el controlador genera una tensión de referencia, representada con vector de espacio de voltaje, para aplicar esta tensión en el motor, es necesario convertir esta tensión de referencia a las señales conmutadas(suicheadas) para el inversor. Para ello, varias estrategias PWM están disponibles. En los métodos de sub-oscilación, las tensiones trifásicas se calculan en primer lugar y se comparan con una señal portadora de alta frecuencia para generar los pulsos y controlar los interruptores del inversor. Además de tales métodos, es posible generar las señales de conmutación directamente usando el vector espacial de el voltaje de referencia, sin tener que convertir primero el vector espacial en los tres valores de fase.. 2.1. Sistema Propuesto. Para este trabajo de grado se decidió implementar el convertidor en configuración de puente completo o puente H el cual se muestra en la figura 2.1, la carga esta conectada entre los puntos a y b, si se tiene la señal de onda cuadrada que se visualiza en la figura 2.2 entonces el par de interruptores Q1Q3 y Q2Q4 conmutan en forma alterna para producir una señal de tensión de salida de onda cuadrada y amplitud Vs [11]. Figure 2.1: configuración puente H Para esta configuración los diodos y los mosfet se deben deben seleccionar adecuadamente www.utp.edu.co.

(18) Capı́tulo 2. Desarrollo. 12. en el diseño para tolerar la tensión de la fuente de alimentación Vs en el momento en que estos se encuentren polarizados en corte e inversamente respectivamente. [11]. Figure 2.2: formas de onda de un convertidor puente completo con carga resistiva Cada conmutador se conforma por un IGBT y un diodo en antiparalelo, ya que debido a las caracterı́sticas de cada conmutador, los IGBTs acceden a la conducción de corriente desde arriba hasta abajo y los diodos acceden a la conducción de corriente de manera contraria, ver Figura 2.3 tomada de [4] . La circulación de corriente por los IGBTs se da cuando tienen señal en la puerta, los IGBTs de una misma rama no deben estar cerrados simultáneamente porque pondrı́an en corto al bus DC.. Figure 2.3: puente H www.utp.edu.co.

(19) Capı́tulo 2. Desarrollo. 13. Se puede observar en la Figura 2.4 tomada de [4] la trayectoria que se describe cuando D1 y D3 entran en conducción durante el primer semi ciclo.. Figure 2.4: recorrido 1 Se puede observar en la Figura 2.5 tomada de [4] la trayectoria que se describe cuando D2 y D4 entran en conducción durante el otro semi ciclo.. Figure 2.5: recorrido 2. www.utp.edu.co.

(20) Capı́tulo 2. Desarrollo. 2.2. 14. Modulación PWM. Se tiene un convertidor monofásico en configuración puente H con modulación PWM o Modulación por ancho de pulso, el cual es un proceso que se le aplica a una señal periódica sinusoidal o cuadrada en donde se le modifica el ciclo de trabajo, con el objetivo de controlar la energı́a que se inyecta en la carga o también con el fin de transmitir datos mediante canales de comunicación. PWM se utiliza con el fin de conseguir resultados analógicos a través de medios digitales. El control digital es útil para crear una onda cuadrada, un estado de señal activada y un estado de señal desactivada. Lo cual puede simular voltajes entre el encendido completo (Va) y el apagado (0V) como se visualiza en la figura 2.6 tomada de [18]. Para controlar el voltaje al interior del inversor se involucra el uso de modulación de ancho de pulso (PWM). Con esta técnica el voltaje de salida del inversor es controlado por los cambios en la duración de los pulsos de voltaje de salida.[13] Las técnicas PWM están clasificadas en: • • • • •. PWM Senoidal (SPWM) Eliminación Selectiva de armónicos (Selected Harmonic Elimination SHE-PWM) PWM de mı́nimo ripple de corriente. PWM con control de corriente por banda de histéresis. PWM de vector de espacio (PVM).. Figure 2.6: ondas PWM. www.utp.edu.co.

(21) Capı́tulo 2. Desarrollo. 15. Para las bajas frecuencias los armónicos son significativamente mas pequeños que para el caso de la señal aproximadamente cuadrada. Para el adecuado funcionamiento de la carga industrial los interruptores del convertidor procesan ondas con alto componente sinusoidal empleando PWM .[13]. Figure 2.7: circuito puente completo Como se observa en la figura 2.7 tomada de [17] se utiliza una topologı́a adecuada para potencia alta en la carga, es decir un puente H completo al que le implementamos la modulación PWM .. www.utp.edu.co.

(22) Capı́tulo 2. Desarrollo. 2.3. 16. Modulación SVM. MODULACIÓN SVM (Space Vector Modulation) o DE VECTOR DE ESPACIO: Esta técnica de modulación se fundamenta en la representación del vector de espacio de las tensiones en el plano Alfa y Beta entregando la mas alta tensión de salida disponible, adecuándolos para su implementación digital ya que la corriente de salida presenta poca perturbación armónica . Esta teorı́a se desarrolla alrededor del concepto de un vector espacial giratorio. El sentido de giro depende de la secuencia de las tensiones. Este modelo se inspira en la distribución espacial de los bobinados de una máquina de corriente alterna para generar un campo magnético giratorio y de ahı́ el nombre que recibe. Básicamente transforma un conjunto trifásico a un vector en el plano complejo, parecido al modelo del campo magnético giratorio. Para la simulación de la técnica SVM se puede realizar con mayor dinamismo en la plataforma de MatlabSimulink . Si se modelan los IGBTs de manera ideal se genera una representación adecuada para el estudio de algoritmos de control, y no tan pertinente para analizar fenómenos no lineales que puedan aparecer en el inversor como por ejemplo las perdidas. En los años recientes ha sido utilizado en aplicaciones ya que su desempeño muestra ser superior. [16] Por medio de esta modulación se identifican los posibles puntos de operación del inversor y queriendo aproximar cualquier vector al realizar un promedio de los diferentes puntos de operación encontrados de manera que la conmutación de cada columna está determinada por el sistema trifásico en general y no por una sola fase.. www.utp.edu.co.

(23) Capı́tulo 3 Análisis De Resultados 3.1. Diseño Propuesto. Entendiendo la necesidad de buscar una implementación fı́sica viable mencionada en el aparte anterior para aplicaciones en las que el convertidor pueda ser utilizado como fuente de corriente o como fuente de tensión, se logra diseñar e implementar nuestro prototipo basado en el desarrollo de aspectos teóricos y con criterios de diseño que se acomodan a fines investigativos para realizar las pruebas comparativas del modelo real y el modelo de simulación.. 17.

(24) Capı́tulo 3. Análisis De Resultados. 18. Figure 3.1: simulación Se requiere entonces de un diseño integrado y una implementación organizada para poder dar el uso correcto a estos dispositivos bajo los criterios de economı́a y poca ocupación de espacio, llegando a considerar sus servicios como viables en aplicaciones industriales o comerciales. Los opto acopladores sirven como protección contra fallas locales aislando los circuitos de control de los altos niveles de voltaje y activando los dispositivos de potencia por medio de señales. Para los dispositivos usados a niveles industriales se requiere que sean lo mas adaptativos posible en cuanto a su operación y su sensibilidad a las variaciones de las especificaciones y la demanda que se requiere . Con este fin se acude a el uso del diseño integrado como alternativa para alcanzar todos los objetivos propuestos en el desarrollo de prototipos.[1] Los datos que se suministran en los data sheet de los opto acopladores y los parámetros de los mosfet utilizados que se acomodaban a lo que requerı́amos en nuestro proceso [Anexo A] [Anexo E].. www.utp.edu.co.

(25) Capı́tulo 3. Análisis De Resultados. 19. Para simular la dinámica del inversor se realizaron simulaciones en la plataforma que soporta MatlabSimulink como se muestra a continuación en las que se introduce la onda seno y la onda triangular al igual que los osciloscopios para visualizar como se comporta el sistema. Para nuestra investigación es interesante utilizar técnicas de modulación de fácil implementación ya que se desea proponer un prototipo de dispositivo único que realice la conversión para las aplicaciones mencionadas anteriormente.. Figure 3.2: simulación puente H Al llevar a cabo este trabajo de investigación formativa se propone el diseño de un convertidor monofásico de dos niveles en configuración puente H de manera que se implementa y se pone a prueba su funcionamiento fı́sicamente, para la etapa de diseño integrado bajo los criterios de economı́a y funcionalidad, acomodándolos a las condiciones deseadas para reducir la topologı́a del circuito al reemplazar los relés electromecánicos que ocasionan una conmutación más lenta y ruidosa, por los opto acopladores que mediante señales de control activan los Mosfet utilizados en el prototipo monofásico con mejores resultados, además de ser mucho más pequeños lo que llevarı́a a considerar sus servicios como viables para aplicaciones industriales o comerciales, este tema se visualiza como una extensión del trabajo de grado desarrollado.. www.utp.edu.co.

(26) Capı́tulo 3. Análisis De Resultados. 20. Las herramientas a utilizar son las tarjetas Arduino con su respectivo lenguaje de programación y los diseños de la PCB en Eagle con pistas amplias adecuadas a la acomodación de las borneras y las caracterı́sticas de operación de los mosfet para llegar a un diseño más simplificado y eficiente, al tratarse de micro-controladores de fácil adquisición con software libre, además de la utilización de la baquela impresa para conformar un dispositivo único que permita realizar la conversión de C.C a C.A . [ anexo G] Se escogió Arduino como micro-controlador debido a las caracterı́sticas propias del dispositivo que brindan ventajas a nuestro proyecto. El voltaje de alimentación DC en 12V, el transformador de 6/120 se usaron 4 opto acopladores 4n35 y 4 mosfet ifz44n, los pulsos P1, P2, P3 y P4 se generan mediante la implementación de Arduino adecuándolos a un código que se ve en la Figura 3.3 para los pines 13,12,11,10 respectivamente y que tiene como entradas el voltaje de red y la corriente de salida del inversor. [anexo H] Se realizo el modelo fisico con una relación de transformación de 6/120 voltios debido a las perdidas que se presentaron durante la implementación real en donde alimentando con 12 Voltios obtenı́amos a la salida del puente H 9 voltios para los cuales teniendo esta relación de 6/120 resultan 140 voltios que al conectarles la carga caen hasta 110 voltios.. www.utp.edu.co.

(27) Capı́tulo 3. Análisis De Resultados. 21. Figure 3.3: diagrama del modelo Se observa en la Figura 3.3 el diagrama donde aparecen las salidas del Arduino por los pines habilitados en el código creado,es decir, 13,12,11 y 10, seguidamente conectados a las entradas de los opto acopladores 4N35 los cuales aparecen como U1,U2,U3 y U4, uno para cada mosfet IFZ44N Q1,Q2,Q3 y Q4 respectivamente, dispuestos en configuración puente completo donde se conecta la salida para el transformador el cual para efectos ideales de la simulación aparece de 12/120 voltios. Esto es sin considerar perdidas que se presentan en la implementación real debido al efecto joule. Para la implementación fı́sica se buscó realizar el montaje de una sola pierna para poner a prueba el funcionamiento de los componentes electrónicos para luego proceder a montar el puente H completo obteniendo el resultado esperado al conectar la alimentación.. www.utp.edu.co.

(28) Capı́tulo 3. Análisis De Resultados. 3.2. 22. Pruebas Y Resultados. La implementación de los convertidores monofásicos en configuración puente H requiere de constantes pruebas para visualizar las formas de onda obtenidas y las respuestas generadas por el dispositivo cuando se le introduce el código de control programado para la activación de los MOC y la modulación. Se realizan las pruebas en el software de Simulación MatlabSimulink y se obtienen resultados en las formas de onda los cuales se esperan que sean similares a los obtenidos experimentalmente durante la implementación.. Figure 3.4: Dispositivo con carga y osciloscopio. www.utp.edu.co.

(29) Capı́tulo 3. Análisis De Resultados. 23. Se toman varias capturas de la forma de onda obtenida en la medición del osciloscopio para ver el efecto causado por el PWM. Figure 3.5: forma de onda tomada del osciloscopio La obtención de las formas de onda moduladas en el osciloscopio al conectar un celular como carga para el dispositivo diseñado e implementado se muestran en las figuras 3.5 y 3.6. Para la implementación se muestran capturas de la modulación aplicada durante las pruebas en el laboratorio para la señal de voltaje en el circuito fı́sico.. Figure 3.6: forma de onda Las imágenes muestran la forma de onda visualizada después de ser procesada la señal para compararla con la obtenida en la simulación.. www.utp.edu.co.

(30) Capı́tulo 3. Análisis De Resultados. 24. Una simulación en Proteus de las salidas del Arduino con el código implementado generando los pulsos deseados en los pines asignados del Arduino Mega 2560 como se ve en la Figura 3.7.. Figure 3.7: simulación Arduino Para visualizar el comportamiento y las respuestas de nuestro diseño se utilizan diferentes programas de simulación, entre los que cabe mencionar Simulink para el análisis de las magnitudes y de las formas de onda obtenidas con el convertidor, Eagle para el diseño de las PCB ( Print Circuit Board), Arduino para la modulación, entre otros.. www.utp.edu.co.

(31) Capı́tulo 3. Análisis De Resultados. 25. Figure 3.8: Visualización en Proteus Las formas de onda visualizadas en Proteus al procesar el código de Arduino para la modulación PWM que se le aplicara a la señal como se observa en la Figura 3.8. En la figura 3.9 podemos visualizar la salida del puente completo en la simulación que se realizo en simulink. Figure 3.9: Salida de puente H. www.utp.edu.co.

(32) Capı́tulo 3. Análisis De Resultados. 26. Con el fin de analizar de la mejor manera la salida obtenida gráficamente se realiza un aumento y se visualiza mejor su comportamiento como se puede observar en la figura 3.10.. Figure 3.10: Salida de puente H ampliada de la simulación. www.utp.edu.co.

(33) Capı́tulo 4 Conclusiones, Aportes Y Recomendaciones 4.1. Conclusiones. • Se logró entender el funcionamiento fı́sico de los convertidores para poder realizar la comparación con el funcionamiento ideal y el comportamiento teórico que se obtiene en los cursos del pregrado al igual que los resultados obtenidos en los convertidores simulados durante en las practicas de laboratorio. • Se identificaron los parámetros involucrados en la implementación de un convertidor y la importancia de un buen diseño integrado para la fácil implementación del modelo propuesto. • Se logró comprender la necesidad de incluir en los sistemas eléctricos actuales los convertidores bidireccionales. • Se obtuvo el modelo práctico como un dispositivo electrónico compacto dentro de una caja de acrı́lico en la que se adapto la baquela con su circuito impreso, acompañado de un transformador y un fusible, además de contener las entradas de los respectivos pines provenientes del mecanismo de control utilizado para llevar a cabo la conmutación y la modulación . • Durante el desarrollo del trabajo investigativo se proyecta el modelo propuesto como base de varias tesis futuras en las que se le realicen mejoras o adecuaciones para aplicaciones a fin.. 27.

(34) Capı́tulo 4. Conclusiones, Aportes Y Recomendaciones. 4.2. 28. Aportes Y Recomendaciones. El principal aporte realizado con este trabajo de tesis es la implementación fı́sica de un convertidor monofásico de dos niveles aplicando la técnica de modulación por ancho de pulso o PWM y utilizando elementos electrónicos de fácil adquisición, lo que simplifica la conformación de dispositivos convertidores como el propuesto en este proyecto de manera casi artesanal para pequeñas cargas en lugares aislados temporalmente. Por otra parte el registro de las pruebas y las formas de onda obtenidas al energizar nuestro dispositivo e implementar el código diseñado para la modulación de la señal quedan documentadas y analizadas en este trabajo investigativo. Es de recomendar basarse en el proyecto para investigar modificaciones que optimicen su desempeño a partir de los resultados obtenidos durante la implementación desarrollada y generar registro de su comportamiento frente a diferentes tipos de cargas y condiciones operativas diferentes a las realizadas en este documento.. 4.3. Futuros Trabajos De Investigación. La importancia de realizar esta investigación tiene más relevancia a nivel local ya se busca llevarlo a las aplicaciones industriales de nuestra ciudad o por lo menos plantear un modelo base para su mejoramiento en otro trabajo de formación investigativa. El prototipo diseñado e implementado podrı́a ser utilizado para conformar un dispositivo que reemplace algunos bancos de capacitores en empresas o establecimientos comerciales en los que se requiera corregir el factor de potencia y que la inversión sea asequible a los inversionistas del sector. A partir de este trabajo de formación investigativa se puede realizar el diseño e implementación de un convertidor trifásico en configuración puente H mediante tres convertidores monofásicos de los propuestos durante el desarrollo de esta tesis y adecuarlo para los fines que se necesiten. Igualmente se podrı́a pensar en realizar pruebas con cargas y técnicas de modulación diferentes a las analizadas en este proyecto para registrar las diferentes respuestas obtenidas y entrar a realizar comparaciones que dejen ver las ventajas y las desventajas de cada una respecto a los fines prácticos que se deseen La implementación de estos convertidores monofásicos ha sido realizada en diferentes aplicaciones como es el caso de las UPS y de las energı́as renovables.. www.utp.edu.co.

(35) Capı́tulo 5 Bibliografı́a 5.1. Referencias. [1] B. K. Bose, “Evolution of Modern Power Semiconductor Devices and Future Trends of Converters,” IEEE Trans. On Industry Applications, vol. 28, No. 2, pp. 403-413, Mar./Apr. 1992. [2] Inversor con Fuente de Voltaje (VSI) Para Fuente Sinusoidal de Voltaje y Frecuencia Variables, aFabio Andrade, Hernando Vásquez, Guillermo Aponte, César Urrego, Escuela de Ingenierı́a Eléctrica y Electrónica, Universidad del Valle, Noviembre 24 de 2008. [3] Mohan N., Undeland T.M. and Robbins W.P., Power Electronics: Converters, Applications and Design, John Wiley Sons, 1989. [4] Enseñando el funcionamiento de los inversores puente H, Fac. de Ingenierı́a, Depto Ing. Eléctrica, Grupo de Manejo Eficiente de la Energı́a – GIMEL, Universidad de Antioquia, Publicado Feb. 2016. [5] Y. Chen, H. Wu, Y. Chen, K. Lee and S. Shyu, “The AC Line Current Regulation Strategy for the Grid-Connected PV System”, IEEE Trans. on Power Electronics, vol. 25, no.1, pp. 209-218, Jan. 2010. [6] H.R. Karshenas and M. Niroomand, “Design and Implementation of a Single Phase Inverter with Sine Wave Tracking Method for Emergency Power Supply with High Performance Reference”, Electrical Ma- 27 con-ciencias diseño, modelado e implementación de inversor conectado a la red eléctrica a partir de fuentes renovables CÉSAR LEONARDO TRUJILLO RODRÍGUEZ / DAVID VELASCO DE LA FUENTE / EMILIO FIGUERES AMORÓS / GABRIEL GARCERÁ SANFELIÚ / JAVIER GUACANEME MORENO chines and Systems, ICEMS 2005, Proceedings of the Eighth International Conference on, vol. 2, pp. 1232-1237, 29 Sept. 2005. [7] Diseño, modelado e implementación de inversor conectado a la red eléctrica a partir. 29.

(36) Capı́tulo 5. Bibliografı́a. 30. de fuentes renovables, https://dialnet.unirioja.es/descarga/articulo/3956838.pdf, Febrero 27 de 2012 [8] Diseño y prueba de inversores monofásicos independientes con capacidad de conexión en paralelo para alimentar cargas lineales y no lineales,Tesis de maestrı́a en ingenierı́a electrónica, Pontificia Universidad Javeriana. 2013 [9] Evaluation of a Control Strategy for a MMC Converter. Grupo de Investigación en Calidad de la Energı́a Eléctrica y Estabilidad, Ingenierı́a Eléctrica, Universidad Tecnológica de Pereira, Colombia, version final Octubre 6 de 2017. [10] Estado de la tecnica en convertidores cc/ca multinivel.https://upcommons.upc.edu/bitstream/ha [11] Estudio e implementacion de un convertidor multicelda apilable de 3x2 controlado por DSP, capitulo 1: introduccion a los convertidores CD-CA, http://catarina.udlap.mx/ud la /tales/documen [12]Aaron VanderMeulen and John Maurin,Application EngineersCurrent source inverter vs. Voltage source inverter topology, 2014 [13]MODULACIÓN PWM APLICADA A INVERSORES TRIFÁSICOS DENTRO DEL ESQUEMA DE ACCIONAMIENTOS ELÉCTRICOS AC. López Mesa Diana Jimena, Camacho Muñoz Guillermo Alberto, Dı́az Chávez,Jaime Oscar, Gaviria López Carlos Alberto. Universidad del Cauca. Facultad de Ingenierı́a Electrónica y Telecomunicaciones (FIET). [13] http://arduino.cl/que-es-arduino/ [14] https://www.infineon.com/dgdl/irfz44n.pdf?fileId=5546d462533600a40153563b3575220b [15] https://www.vishay.com/docs/81181/4n35.pdf [16] Simulación de Modulación Vectorial para un Conversor PWM Fuente de Voltaje, Roberto Cárdenas Dobson, DIE Universidad de Chile. Curso de Electrónica de Potencia [17] http://ocw.uc3m.es/tecnologia-electronica/electronica-de-potencia/material-de-clase-1/MC-F-00 [18] http://fglongatt.org/OLD/Reportes/PRT2004-02.pdf. www.utp.edu.co.

(37) Capı́tulo 6 Anexos Se anexan los documentos que contienen los parámetros de los elementos incluidos en el diseño implementado en este proyecto, ası́ como data sheet y gráficos que contienen las configuraciones utilizadas. a continuación se anexan los datos de los opto acopladores y de los mosfet que se acomodaban a lo que requerı́amos en nuestro proyecto.. 31.

(38) Capı́tulo 6. Anexos. 32. Figure 6.1: mosfet ifz44n Data Sheet, anexo [A]. www.utp.edu.co.

(39) Capı́tulo 6. Anexos. 33. Figure 6.2: mosfet ifz44n Data Sheet, anexo [B]. www.utp.edu.co.

(40) Capı́tulo 6. Anexos. 34. Figure 6.3: mosfet ifz44n Data Sheet, anexo [C]. www.utp.edu.co.

(41) Capı́tulo 6. Anexos. 35. Figure 6.4: Mosfet ifz44n Data Sheet, anexo [D]. www.utp.edu.co.

(42) Capı́tulo 6. Anexos. 36. Figure 6.5: Opto acoplador 4n35 Data Sheet, anexo [E]. www.utp.edu.co.

(43) Capı́tulo 6. Anexos. 37. Figure 6.6: Opto acoplador 4n35 Data Sheet, anexo [F]. www.utp.edu.co.

(44) Capı́tulo 6. Anexos. 38. Figure 6.7: diseño PCB en Eagle, anexo [G]. www.utp.edu.co.

(45) Capı́tulo 6. Anexos. 39. Figure 6.8: Codigo Arduino, anexo [H]. www.utp.edu.co.

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