Control del voltaje de salida de un inversor con técnicas PWM

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(1)Facultad de Ingeniería Eléctrica. Trabajo de Diploma Título: Control del voltaje de salida de un inversor. con técnicas PWM Autor: José Angel Alonso Rueda Tutor: Ing. Silvio Eric Ruiz González Ing. Jorge Denis Raimundo Tagle. Santa Clara 201 5 ¨Año 57 de la Revolución¨.

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(3) Hago constar que el presente trabajo de diploma fue realizado en la Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas como parte de la culminación de estudios de la especialidad de Ingeniería Eléctrica, autorizando a que el mismo sea utilizado por la Institución, para los fines que estime conveniente, tanto de forma parcial como total y que además no podrá ser presentado en eventos, ni publicados sin autorización de la Universidad.. _______________________ Firma del Autor Los abajo firmantes certificamos que el presente trabajo ha sido realizado según acuerdo de la dirección de nuestro centro y el mismo cumple con los requisitos que debe tener un trabajo de esta envergadura referido a la temática señalada.. __________________________. __________________________. Firma del Tutor. Firma del Jefe de Departamento. donde se defiende el trabajo __________________________ Firma del Responsable de Información Científico-Técnica.

(4) i. Pensamiento. “…El futuro de nuestro país deberá ser necesariamente un futuro de hombres de ciencia…” Fidel Castro.

(5) ii. Dedicatoria. A toda mi familia especialmente a mis padres..

(6) iii. Agradecimientos  A mis padres, por su apoyo durante todo este tiempo.  A toda mi Familia por haber confiado siempre en mí.  A los profesores que de una forma u otra me han convertido en quien soy hoy en día.  A mis compañeros de grupo por su amistad y apoyo incondicional durante estos 5 años.  A todos mis amigos.  De forma general agradezco a todas las personas que de una forma u otra me han brindado su apoyo..

(7) iv. Tarea Técnica  Revisión bibliográfica acerca del tema a estudiar.  Confección del circuito simulado del inversor monofásico de medio puente y de las técnicas PWM en Simulink.  Análisis de los resultados obtenidos en las simulaciones.  Montaje de la práctica real con la pastilla TL084CN, la breakboard, los transistores y los osciloscopios.  Análisis de los resultados obtenidos en el laboratorio real.  Comparación de los resultados de las simulaciones con los de la práctica real.. _______________________. _____________________. Firma del Autor. Firma del Tutor.

(8) v. Resumen En el presente trabajo de diploma se modela el diseño de un inversor de medio puente monofásico junto con las modulaciones de las técnicas PWM y se explica su principio de funcionamiento. Posteriormente se realiza un estudio descriptivo de cada instrumento utilizado en el montaje. Se efectúa un análisis de los resultados de las simulaciones realizadas en la práctica virtual con la utilización del Simulink y se detallan las ondas portadoras y de referencia. Luego se comparan los resultados de la práctica real con la virtual, analizando lo que sucede al variar la frecuencia y los valores que toma la misma en la entrada y salida de los osciloscopios, en los diferentes tipos de ondas utilizadas en la práctica virtual. De igual modo se muestran los cambios de frecuencia al variar la componente directa desde el origen. A continuación se exponen los diferentes valores de frecuencia en cada una de las ondas (triangular, senoidal y cuadrada) que se montaron en el laboratorio real y se realiza una comparación entre las simulaciones obtenidas del trabajo en el Simulink y las que se obtuvieron en el laboratorio real..

(9) Tabla de Contenido. Tabla de contenido Pensamiento ................................................................................................................. i Dedicatoria ................................................................................................................... ii Agradecimientos .......................................................................................................... iii Tarea Técnica.............................................................................................................. iv Resumen ...................................................................................................................... v Introducción ................................................................................................................. 1 Capítulo 1: Fundamentación teórica de las técnicas de modulación por ancho de pulso PWM y de inversores monofásicos. ................................................................... 5 1.1 Métodos de modulación por ancho de pulso..................................................... 5 1.1.1 Modulación de un solo ancho de pulso. ...................................................... 5 1.1.2 Modulación de varios anchos de pulsos. .................................................... 7 1.1.3 Modulación senoidal. .................................................................................. 9 1.1.4 Modulación Senoidal Modificada. ............................................................. 12 1.1.5 Control por desplazamiento de fase. ......................................................... 13 1.2. Inversores monofásicos .................................................................................. 14 1.2.1 Clasificación de los inversores ................................................................. 14 Capítulo 2: Diseño simulado y real de las técnicas de modulación PWM y de un inversor de medio puente. ......................................................................................... 24 2.1 Diseño simulado de la Modulación Cuadrada. ................................................. 24 2.2 Diseño simulado de la Modulación Senoidal.................................................... 25 2.3 Diseño simulado de un inversor de medio puente. .......................................... 26 2.4 Análisis técnico del montaje real de las modulaciones PWM........................... 26 2.4.1 Dispositivos de implementación para el montaje real. ............................... 27.

(10) Tabla de Contenido. 2.5 Descripción técnica del montaje del circuito real. ............................................ 31 Capítulo 3: Análisis de resultados de las simulaciones y la práctica real. ................. 33 3.1. Resultados de las simulaciones. ..................................................................... 33 3.1.1 Resultados de la simulación de la onda cuadrada. ................................... 33 3.1.2 Resultados de la simulación de la onda Senoidal. ................................... 34 3.1.3 Resultados de la simulación del inversor de medio puente. ...................... 35 3.2 Análisis de los resultados obtenidos en el laboratorio real. ............................. 35 3.2.1 Resultado real de la modulación cuadrada. ............................................. 35 3.2.2 Resultado real de la modulación senoidal. ............................................... 36 3.2.3 Resultado real mostrado en la salida del inversor de medio puente. ....... 37 3.2.4 Resultados analíticos de las frecuencias de entrada y salida. ................. 37 3.3 Análisis comparativos entre los resultados simulados y reales. ....................... 40 Conclusiones ............................................................................................................. 42 Recomendaciones ..................................................................................................... 43 Referencias Bibliográficas ......................................................................................... 44.

(11) Introducción. Introducción Desde finales del siglo XVIIII hasta mediados del siglo XX la conversión de DC-AC se lograba utilizando convertidores rotacionales o un motor-generador. No fue sino hasta la introducción en 1957 del tiristor o SCR (“silicon-controlledrectifier”) que se inició la transición a inversores de circuitos de estado sólido. Para finales de la década de los setenta ya se había popularizado el MOSFET en la electrónica de potencia. Durante los ochenta se creó el IGBT (“InsulatedGate Bipolar Transistor”), el cual se volvió ampliamente popular al llegar los noventa. El IGBT combina la capacidad de manejar rangos de potencia comparables a un transistor bipolar pero con la ventaja de tener una alta impedancia de entrada como los MOSFET. [1] La Electrónica es el campo de la ingeniería y de la física aplicada al diseño y aplicación de dispositivos, por lo general circuitos electrónicos, cuyo funcionamiento depende del flujo de electrones para la generación, transmisión, recepción y almacenamiento de información.[2] Dentro de la electrónica de potencia los circuitos para transformar de corriente directa a corriente alterna se conocen como inversores. [3]En muchas aplicaciones industriales, a menudo es necesario controlar el voltaje de salida de los inversores, esto con el fin de: hacer frente a las variaciones de la entrada DC, para la regulación del voltaje de los inversores y para cumplir con los requisitos de voltaje y frecuencia en la salida del circuito.[4] Los onduladores o inversores son convertidores estáticos de energía que convierten la corriente continua CC en corriente alterna CA, con la posibilidad de alimentar una carga en alterna, regulando la tensión, la frecuencia o bien ambas. Más exactamente, los inversores transfieren potencia desde una fuente de continua a una carga de alterna. [5] Los inversores, son convertidores de potencia eléctrica de continua (CC) en potencia eléctrica de alterna (CA). La función de un inversor, es cambiar un voltaje de entrada de corriente continua, en un voltaje de salida de corriente alterna simétrico con una magnitud y frecuencia deseada. El voltaje de salida podría ser fijo o variable, a una frecuencia fija o variable. El voltaje continuo de entrada pueden ser pilas químicas, 1.

(12) Introducción baterías de acumuladores químicas, celdas solares u otra fuente de corriente continua. Cualquier inversor puede ser constituido por uno o varios voltajes de entrada de corriente continua, que por medio de un conjunto de interruptores pueden ser conectados a una carga mono o polifásica para obtener de manera alternada semiciclos positivos y negativos en la salida.[6] Los inversores para una potencia determinada, son de voltaje de salida variable; esto se logra haciendo variar el voltaje de entrada o si este último es fijo, podemos variar el voltaje de salida variando la ganancia del inversor. La ganancia del inversor se puede definir como la relación entre el voltaje de salida de CA y el voltaje de entrada de CC. Los inversores, tienen amplia difusión en aplicaciones industriales, como por ejemplo en impulsores (variadores, reguladores o controles) de motores de alterna, calentamiento por inducción, fuentes de alimentación de reserva y fuentes de alimentación ininterrumpida. Se utilizan para convertir un voltaje de corriente continua de valor constante, en un voltaje variable de corriente continua, mediante la conversión de continua a alterna (inversor); luego con transformadores de núcleo y rectificadores, se convierte nuevamente a continua. El modo de control más habitual de los dispositivos de potencia en el inversor va a ser la modulación por ancho de pulso o simplemente PWM. Los inversores de mediana y alta potencia usan en general señales de control por modulación por ancho del pulso (PWM) para producir voltajes variables de salida con poca distorsión. En la modulación PWM la frecuencia se controla con pulsos positivos durante medio período y pulsos negativos durante el siguiente medio período. El circuito de control establece los tiempos de activación y desactivación de los dispositivos de potencia. Han sido propuestas varias estrategias de conmutación PWM. Primeramente todas las estrategias de conmutación estuvieron basadas en técnicas de implementación analógicas. Estas técnicas, han sido sustituidas por técnicas digitales. Actualmente la mayoría de las técnicas de conmutación PWM están basadas en esquemas de control implementados con microprocesadores. En estas últimas es muy importante desarrollar una estrategia simple y eficiente para lograr los indicadores deseados. Es 2.

(13) Introducción igualmente importante tener en cuenta los requerimientos de la implementación del hardware para la estrategia dada y también, como último criterio, el costo de este y el software de desarrollo. Este es un tema de gran complejidad y a su vez de mucha importancia. Dado el déficit de implementos y medios que la facultad está enfrentando en estos momentos es necesario buscar alternativas para que los estudiantes puedan afianzar conocimientos acerca de este tema, estas podrían ser la simulación y montaje real de las técnicas de modulación y del inversor monofásico de medio puente, cuestión que conlleva al siguiente Problema científico: ¿Cómo implementar una práctica de laboratorio real y simulada sobre los inversores controlados por PWM? Teniendo en cuenta la importancia que tiene la Modulación por ancho de pulso PWM (Pulse Width Modulation) en los inversores para el control del voltaje es que se desarrolla este trabajo; por lo que se precisa como Objetivo general: Implementar el Control del voltaje de salida de un inversor con técnicas PWM de forma simulada y montaje real. Para lograr el cumplimiento del objetivo general se trazaron los Objetivos Específicos siguientes:  Realizar una revisión bibliográfica acerca del tema.  Simular el inversor monofásico de medio puente y algunas de las técnicas PWM en el Simulink  Realizar el montaje de la práctica real del inversor medio puente.  Analizar los resultados obtenidos en el laboratorio real y las simulaciones. El presente trabajo de diploma es imprescindible para los estudiantes de ingeniería eléctrica, ya que puede ser utilizado como material, de estudio de las técnicas de modulación PWM y de los inversores. En este se exponen los resultados obtenidos de las simulaciones y los de la práctica real, evidenciándose la similitud en los efectos de las mismas. El informe consta de tres capítulos, en el primero se realiza una revisión bibliográfica acerca de los inversores monofásicos y de las técnicas de modulación PWM.. 3.

(14) Introducción En el Capítulo II se procede, en un primer momento, a modelar el diseño de las simulaciones correspondientes a las modulaciones de las técnicas PWM y su principio de funcionamiento así como el montaje de un inversor de medio puente. En un segundo momento, se realiza una breve descripción de los instrumentos que se utilizaron en el montaje; explicando su principio de funcionamiento y aplicación. Por último en el Capítulo III se efectúa un análisis de los resultados de las simulaciones realizadas en la práctica virtual a través del Simulink. Se detallan las ondas portadoras y de referencia. Se procede a comparar los resultados de la práctica real con la virtual. Se analiza lo que sucede al variar la frecuencia y los valores que toma tanto en la entrada y salida de los osciloscopios, los diferentes tipos de ondas utilizadas en la práctica virtual. De igual modo se muestran los cambios de frecuencia al variar la componente directa desde el origen. Por otra parte se exponen los diferentes valores de frecuencia en cada una de las ondas (senoidal y cuadrada). que se montaron en el laboratorio real. Con. posterioridad se realiza una comparación entre las simulaciones obtenidas del trabajo en Simulink y las que se obtuvieron en el laboratorio real. Finalmente con todos los análisis realizados se exponen las conclusiones a las que se arribaron, luego de un detallado estudio acerca del tema.. 4.

(15) Fundamentación teórica. Capítulo 1: Fundamentación teórica de las técnicas de modulación por ancho de pulso PWM y de inversores monofásicos. Los inversores de potencia son usados para producir un suministro de potencia de corriente alterna, CA, desde un suministro de corriente directa, CD. Estos sistemas son de los más importantes convertidores de potencia ya que son empleados para producir suministros de voltaje variable y frecuencia variable para controlar motores de CA, y también para producir suministros de voltaje fijo y frecuencia fija para Sistemas Ininterrumpibles de Potencia (UninterrumpiblePowerSupplies,UPS). [7] En muchas aplicaciones industriales, a menudo es necesario controlar el voltaje de salida de los inversores para hacer frente a las variaciones de entrada de corriente directa, para la regulación del voltaje de los inversores y para los requisitos de control constante del voltaje y la frecuencia. Existen varias técnicas para modificar la ganancia del inversor. El método más eficiente de controlar la ganancia y el voltaje de salida es incorporar en los inversores el control de modulación del ancho de pulso (PWM). [8] Durante el desarrollo del presente capítulo se procederá a fundamentar las técnicas de modulación PWM; así como la razón de la portadora y la reducción del contenido armónico. 1.1 Métodos de modulación por ancho de pulso. Desde las primeras técnicas de modulación PWM registradas hasta nuestros días, la literatura recoge varios métodos propuestos. Las técnicas más comúnmente utilizadas son: modulación de un solo ancho de pulso, modulación de varios anchos de pulso, modulación senoidal del ancho de pulso, modulación senoidal modificada del ancho de pulso y control por desplazamiento de fase.[9] 1.1.1 Modulación de un solo ancho de pulso. En el control de modulación de un solo ancho de pulso, existe uno solo por cada medio ciclo, el ancho de pulso se hace variar a fin de controlar el voltaje de salida del inversor. La figura 1.1 muestra la generación de las señales de excitación y el voltaje de salida para los inversores monofásicos en puente completo. [10] 5.

(16) Fundamentación teórica. Figura 1.1 Modulación de un solo ancho de pulso.. Este método es la técnica de modulación básica ya que requiere solamente de dos conmutaciones por ciclo, sin embargo, sólo se usa en aplicaciones limitadas, por ejemplo, en alimentación de motores de inducción de media y baja potencia. Esto es debido al gran contenido de armónicos que presenta la onda casi cuadrada, lo cual provoca que la operación del motor de inducción sea ineficiente y tenga un desempeño insatisfactorio a bajas velocidades. A pesar de esta limitación, esta técnica ofrece menos pérdidas por conmutación que el resto. En la figura 1.2 se muestra el perfil de armónicos con la variación del índice de modulación M. La armónica dominante es la tercera y el factor de distorsión aumenta en forma significativa a un bajo voltaje de salida.. 6.

(17) Fundamentación teórica. Figura 1.2 Índice de modulación M.. 1.1.2 Modulación de varios anchos de pulsos. Utilizando varios puntos en cada medio ciclo de voltaje de salida puede reducirse el contenido armónico. La generación de señales de excitación para activar y desactivar los transistores aparece en la figura 1.3, mediante la comparación de una señal de referencia con una onda portadora triangular. La frecuencia de la señal de referencia establece la frecuencia de salida f0, y la frecuencia fc determina el número de pulsos por cada ciclo p. El índice de modulación controla el voltaje de salida. Este tipo de modulación también se conoce como modulación uniforme de ancho de pulso (UPWM). La expresión 1.1 determina el número de pulsos por medio ciclo.[9, 11]. [1.1]. 7.

(18) Fundamentación teórica El valor de mf se define como la relación de modulación de frecuencia y se determina mediante la expresión 1.2.. mf= fc/fo[1.2]. Figura 1.3 Generación de la señal de excitación y voltaje de salida.. En la figura 1.4 se muestra el perfil de armónicos de la modulación de ancho de pulsos múltiples. El orden de los armónicos es el mismo que para la modulación por un solo pulso. El factor de distorsión se ha reducido en formas significativas en comparación con el de la modulación con un solo pulso. Sin embargo, debido al gran número de conmutaciones de los transistores de potencia, las pérdidas por ese concepto aumentan. Con valores mayores de densidad, las amplitudes de los armónicos de menor orden, serán menores, pero se incrementará la amplitud de algún armónico de orden más alto. Sin embargo, estos armónicos de orden más alto producen. componentes. ondulatorias. despreciables. o. pueden. ser. filtradas. fácilmente.[9]. 8.

(19) Fundamentación teórica. Figura 1.4 Perfil de armónicos de la modulación de ancho de pulsos múltiples.. 1.1.3 Modulación senoidal. El contenido de armónicos en el voltaje de salida del convertidor puede ser reducido considerablemente usando un conjunto de pulsos en cada semiperíodo. Si esa modulación se realiza con una función senoidal, se obtiene una marcada reducción en el contenido de armónicos de la salida; esta modulación fue propuesta originalmente por Schoung y Stemmler. La técnica de modulación por ancho de pulso senoidal (SPWM), es la más comúnmente utilizada y existen algunas variaciones de la misma, las cuales optimizan algún criterio en particular. En este método, una señal portadora triangular, se compara con una onda moduladora senoidal para determinar los instantes de conmutación. Esta técnica de modulación puede ser implementada fácilmente utilizando circuitos analógicos, sin embargo, su implementación en sistemas digitales o en microprocesadores no resulta fácil, pues el ancho de los pulsos no se puede obtener a través de funciones analíticas. Para la implementación en este tipo de sistemas, se emplean varias técnicas, como la de muestreo natural, regular y optimizado, así como otros métodos, son usados para calcular el ancho de los pulsos. Además los métodos de eliminación de armónicos han sido propuestos, específicamente para sistemas digitales.[11] 9.

(20) Fundamentación teórica El método PWM senoidal es muy popular en aplicaciones industriales y se menciona con mucha frecuencia en la literatura. En este tipo de modulación, en lugar de mantener constante el ancho de todos los pulsos, como sucede en otros esquemas PWM, el ancho de cada pulso varía en proporción con la amplitud de una onda senoidal modulante que se compara con una onda portadora triangular como se muestra en la figura 1.5. Los puntos de intersección naturales entre ambas ondas determinan la señal modulada de salida, mientras que en la figura 1.6 se muestra la modulación senoidal del ancho de pulso.. Figura 1.5 Principio de la modulación senoidal con onda portadora triangular.. 10.

(21) Fundamentación teórica. Figura 1.6 Modulación senoidal de ancho de pulso.. En el perfil de armónico para cinco pulsos por cada medio ciclo el factor de distorsión se ha reducido significativamente en comparación con el de la modulación de pulsos múltiples. Este tipo de modulación elimina todos los armónicos menores que o iguales a 2p-1. Para p=5 el armónico menor es el noveno. En la figura 1.7 se muestra el índice de modulación M característico para cinco pulsos.[10, 12, 13]. 11.

(22) Fundamentación teórica. Figura 1.7 Índice de modulación M.. 1.1.4 Modulación Senoidal Modificada. De la modulación senoidal se deduce. que variando el índice de modulación la. anchura de los pulsos no varía significativamente. Para solventar este problema se utiliza la técnica de modulación en anchura de pulsos senoidal modificada (MSPWM). Esta técnica se le aplica a la onda portadora durante los primeros y últimos 60º de cada semiciclo. En la figura 1.8 se muestra este tipo de control con un ejemplo en que la señal portadora (triangular) se aplica a los intervalos (0, 60) y (120,180), obteniendo un pulso central de mayor anchura.[9, 11] Este tipo de modulación aumenta la componente fundamental y las características armónicas son mejoradas con respecto a la técnica anterior. También reduce el número de conmutaciones del circuito de potencia y por lo tanto, las pérdidas por disparo son menores.. 12.

(23) Fundamentación teórica. Figura 1.8 Modulación senoidal modificada.. 1.1.5 Control por desplazamiento de fase. El control del voltaje se puede obtener utilizando varios inversores y sumando el voltaje de. salida de los inversores individuales. Es posible percibir un inversor. monofásico de puente completo como la suma de dos inversores de medio puente. Un desplazamiento de 180 grados produce un voltaje de salida, en tanto que un ángulo de retraso (o desplazamiento) β produce una salida, precisamente en la figura 1.9 se muestran cada una de las etapas de este tipo de control.[11]. Figura 1.9 Control de desplazamiento por fase.. 13.

(24) Fundamentación teórica El voltaje eficaz de salida de la componente fundamental se determina mediante la expresión 1.3. 𝑉1 = [(4𝑉𝑠 ÷ √2) × sin(𝛽 ÷ 2)(1 ÷ 𝜋)]. [1.3]. Este valor de voltaje de salida se puede variar al modificar el ángulo de desplazamiento o de retraso. Este tipo de control es especialmente útil en aplicaciones de alta potencia que requieran un gran número de transistores en paralelo. [9, 11] 1.2. Inversores monofásicos La función de un inversor monofásico es cambiar un voltaje de entrada en DC a un voltaje simétrico de salida en AC, con la magnitud y frecuencia deseadas. Si el inversor monofásico genera una señal rectangular, la ganancia del inversor, definida como la relación entre el voltaje de salida en Ac y el voltaje de entrada en DC, se puede controlar mediante la modulación del ancho de pulso, lo cual a su vez genera descansos en cero. Mediante esta modulación de los anchos de pulso se pueden controlar diferentes características de la señal de salida, según la aplicación para la que se requiera el inversor.[14] 1.2.1 Clasificación de los inversores Los criterios habitualmente empleados para la clasificación de los inversores se exponen a continuación, los términos en inglés equivalentes se indican entre paréntesis. Señal de entrada  Alimentados en tensión (voltaje fedinverters)  Alimentados en corriente ( current fedinverters ) Señal de salida  Monofásicos (nonofasic)  Trifásicos (trifasic) Configuración de etapa de potencia  Medio puente (half bridge)  Push-pull  Puente completo (full gridge) 14.

(25) Fundamentación teórica En función de las características de la señal de entrada los inversores estos se clasifican en: alimentados en tensión o alimentados en corriente. Si la fuente de entrada tiene un comportamiento aproximadamente equivalente al de una fuente de tensión ideal se dice que el inversor está alimentado en tensión. Si la fuente de entrada se puede aproximar mediante una fuente de corriente se dice que el inversor está alimentado en corriente. Las características eléctricas y la configuración de la etapa de potencia varían notablemente entre estos dos tipos de inversores. Otra clasificación de los inversores puede hacerse en función del número de fases de la señal de salida, de este modo cabe distinguir entre: inversores monofásicos e inversores trifásicos. Los inversores trifásicos se utilizan en aplicaciones de mayor. potencia,. pudiendo. estar. formados. por. tres. inversores. monofásicos. independientes conectados a la misma fuente. [15] La topología de potencia de un inversor depende de las dos clasificaciones anteriores, no obstante existen tres configuraciones básicas a partir de las cuales se deducen todas las demás:  Inversor de medio puente (half bridge invertir en terminología inglesa)  Inversor push-pull  Inversor en puente completo ( full bridge invertir en terminología inglesa) Una última clasificación de los inversores se puede realizar en función del tipo de control. En los inversores de onda cuadrada (o inversores no modulados) la frecuencia de la señal de salida es la misma que la de conmutación de los dispositivos semiconductores del circuito. En los inversores modulados la frecuencia de conmutación es mayor que la de salida y el intervalo de conducción de los dispositivos semiconductores se hace variar para reducir el contenido armónico y facilitar el filtrado. A continuación se describe el funcionamiento de las tres topologías básicas de inversores: medio puente, puente completo y push-pull. Para realizar el estudio se empleará la técnica de control más sencilla (control de onda cuadrada o sin modulación) aplicada a los inversores monofásicos alimentados en tensión.[14]. 15.

(26) Fundamentación teórica 1.2.1.1 Inversor de medio puente Los inversores monofásicos de medio puente están constituidos por dos interruptores los cuales pueden ser tiristores, transistores de potencia o IGBT.[16] El medio puente es la configuración inversora más sencilla. Se compone de dos fuentes de tensión de igual valor dispuestas en serie y de dos interruptores controlados, tal y como se muestra en la figura 1.10. El modo de funcionamiento más simple consiste en hacer conmutar los interruptores Q+ y Q- con señales de control complementarias de forma que cada uno esté cerrado la mitad de un período. De este modo se obtiene una onda cuadrada de salida de amplitud Ve/2 y sin componente de continua. Para la implementación práctica de un inversor en medio puente con IGBTs se emplea el circuito de la figura 1.11a. Tal y como se comentó anteriormente, un inversor debe poder trabajar en los cuatro cuadrantes por lo que es necesario emplear diodos en paralelo con los IGBTs. Por ejemplo, cuando el IGBT superior Q+ está en conducción la tensión de salida es positiva pero la corriente debe poder tomar valores tanto positivos como negativos. En este caso, el diodo en paralelo con Q+ permite la circulación de corriente entrante. Cuando se dispone únicamente de una fuente de continua de entrada la solución habitual es emplear un divisor capacitivo como el mostrado en la figura 1.11b para obtener dos fuentes de valor Ve/2 en serie. Para conseguir aislamiento entre la entrada y la salida en un inversor en medio puente se acopla la carga a través de un transformador.. Figura 1.10 Funcionamiento básico de un inversor en medio puente. 16.

(27) Fundamentación teórica. Figura 1.11 Implementación práctica de un inversor en medio puente con IGBT (a) con dos puentes simétrica, con divisor capacitivo y fuente única (b). Para entrar en detalle de cómo afectan los diodos en antiparalelo e ilustrar el funcionamiento en cuatro cuadrantes veremos a continuación un ejemplo correspondiente a un inversor en medio puente alimentando a una carga R-L (ver figura 1.12). Empleando señales complementarias para el gobierno de los IGBT se obtiene una forma de onda cuadrada en la salida US. En régimen permanente la corriente que circula por la carga es una sucesión de evoluciones exponenciales de valor medio nulo. Mientras permanece encendido el transistor superior Q+, la corriente de salida del inversor circula a través del diodo D+ cuando es entrante (negativa) y a través de Q+ cuando es saliente (positiva). En los intervalos de conducción de los diodos D+ y Dla transferencia de energía se realiza desde la salida hacia la entrada. Los diodos son por tanto necesarios para que el inversor pueda manejar reactiva. En la figura 1.12 se ha incluido también la forma de onda de la tensión en el transistor Q+. La tensión máxima que soportan los transistores de un medio puente es el doble de la amplitud de la onda cuadrada de salida.. 17.

(28) Fundamentación teórica. Figura 1.12 Formas de onda y esfuerzos en un inversor en medio puente con carga R-L. La figura 1.13 muestra la configuración denominada medio puente asimétrico. En este circuito se genera una onda cuadrada que varía entre VE y 0. Para eliminar la componente de continua se emplea un condensador en serie C. La señal de salida que se obtiene es una onda cuadrada de amplitud VE/2.. Figura 1.13 Medio puente asimétrico. Las características de un inversor en medio puente se pueden resumir en los siguientes puntos:[14]. 18.

(29) Fundamentación teórica  Proporcionan una onda cuadrada. La señal de salida de un inversor en medio puente no modulado es una onda cuadrada, por lo que el contenido armónico es muy elevado y el filtrado es complejo.  La amplitud de salida no es controlable. En un medio puente se obtiene una onda cuadrada cuya amplitud es igual a la tensión de alimentación. El único procedimiento para variar la amplitud de salida es mediante un convertidor previo que permita modificar la tensión de entrada al inversor.  Frecuencia de salida variable. En un inversor en medio puente no modulado la frecuencia de salida es igual a la de conmutación de los interruptores.  La tensión que soportan los interruptores es el doble de la amplitud de la señal cuadrada de salida.  Los terminales de referencia para el gobierno de los interruptores no están referidos a un mismo punto. Este aspecto se estudia en detalle en apartados posteriores de esta lección. Los inversores tienen múltiples aplicaciones, entre las cuales podemos destacar los Sistemas de Alimentación Ininterrumpida (S.A.I.), que se emplean para la alimentación de ordenadores u otros equipos electrónicos que a la vez que una gran seguridad de funcionamiento deben tener una gran estabilidad de tensión y frecuencia, en el control de motores de C.A., instalaciones de energía solar fotovoltaica entre otras.[17, 18] Un uso muy común de los inversores consiste en proporcionar potencia alterna a partir de fuentes continuas, aplicación que en la actualidad es de capital importancia para las fuentes de energía renovables no convencionales como son la energía solar, eólica, las celdas de hidrógeno, etc. o para el uso de baterías independientes de la conexión al sistema de red eléctrica global.[19]. 19.

(30) Fundamentación teórica 1.2.1.2 Inversor push-pull El inversor push-pull es una topología que emplea dos interruptores controlados y un transformador con toma media en el primario para obtener una onda cuadrada de alterna (ver figura 1.14). Al igual que en el medio puente se hace conmutar ambos transistores empleando señales de control complementarias. De este modo, con Q+ cerrado, se aplica una tensión en el semidevanado inferior del primario del transformador que induce una tensión de salida positiva US. Cuando se abre Q+ y se cierra Q- la situación se invierte, quedan duplicada la tensión en el semidevanado superior que induce una tensión de salida negativa. Mientras Q- permanece cerrado el transistor Q+ soporta el doble de la tensión de entrada VE debido a que se suman las tensiones de los dos semidevanados de primario. Las características de un inversor en push-pull se pueden resumir en los siguientes puntos:  Proporcionan una onda cuadrada. Al igual que en el medio puente, la señal de salida de un inversor push-pull es una onda cuadrada, por lo que el contenido armónico es muy elevado.  La amplitud de salida no es controlable. La tensión de salida es proporcional a la tensión de alimentación por lo que para el control de la amplitud es necesario un convertidor previo.  Frecuencia de salida variable.  La tensión máxima que soportan los interruptores es el doble de la tensión de alimentación.  Las señales de control de ambos interruptores están referidas a un mismo punto. Esta característica simplifica la implementación del circuito de control como se verá posteriormente en esta lección. 1.2.1.3 Inversor en puente completo En la figura 1.14 se muestra el esquema eléctrico de un inversor en puente completo. Un puente completo se compone de cuatro interruptores agrupados en dos ramas (en terminología inglesa). Una primera rama formada por los interruptores Q1 y Q2y una segunda rama por Q3y Q4. 20.

(31) Fundamentación teórica Al disponer de cuatro interruptores, el número de estados posibles es mayor que en un medio puente. Eliminando aquellas combinaciones que dan lugar a cortocircuitos de rama y aquellas en que la carga queda ‘desconectada’, se dispone de cuatro combinaciones de estados posibles. Estas combinaciones se ilustran en la figura 1.15. Como se observa en la figura, la tensión de salida puede tomar tres valores distintos: +VE, -VE y 0. Esta característica permite mayores posibilidades de control. Las estrategias de control más simples que pueden emplearse en un puente completo son: control sin deslizamiento de fase y control con deslizamiento de fase.. Figura 1.15 Esquema eléctrico de un inversor en puente completo.. Figura 1.16 Combinaciones posibles para el control de un inversor en puente completo. Puente completo sin deslizamiento de fase En el control sin deslizamiento de fase se hace conmutar alternativamente los interruptores de cada diagonal. Es decir, en la mitad de un período permanecen cerrados Q1 y Q4 y la otra mitad Q2 y Q3. De esta forma se obtiene una señal de salida cuadrada de amplitud VE, tal como se muestra en la figura 1.17. 21.

(32) Fundamentación teórica La principal diferencia respecto al medio puente es que, a igual esfuerzo de tensión en los semiconductores, se obtiene el doble de amplitud de la tensión de salida por lo que se duplica la capacidad de manejar potencia.. Figura 1.17 Puente completo sin desplazamiento de fase. Puente completo con deslizamiento de fase En el modo de control sin deslizamiento de fase presentado en el apartado anterior las dos ramas que componen el puente completo trabajan desfasadas 180º entre sí. Si se modifica este ángulo de desfase se obtienen intervalos durante los cuales permanecen cerrados los dos transistores de la parte superior (Q1 y Q3) o los dos transistores de la parte inferior (Q2 y Q4) como se ilustra en la figura 1.18. De este modo se obtiene una tensión de salida con intervalos de valor cero. Mediante el ángulo de fase α entre las señales de control de ambas ramas se puede modificar la amplitud de la componente fundamental de la tensión de salida. Otra ventaja del control con deslizamiento de fase es que el contenido armónico de la tensión de salida es menor debido a que la forma de onda obtenida es más próxima a una senoide.. 22.

(33) Fundamentación teórica Figura 1.18 Inversor en puente completo con desplazamiento de fase. Las características de un inversor en puente completo se pueden resumir en los siguientes puntos:  La tensión de salida puede tomar tres valores distintos: +V E, -VE y 0. Esta característica incrementa las posibilidades de control en comparación con las topologías descritas anteriormente.  Permite el control de la amplitud de salida. Modificando el ángulo de deslizamiento se puede ajustar la amplitud del armónico fundamental de la salida y controlar de este modo la potencia de salida.  Permite reducir el contenido armónico en la salida. El empleo de intervalos con tensión de salida nula permite obtener formas de onda más próximas a una senoide.. 23.

(34) Diseño simulado y real de las técnicas de modulación PWM y de un inversor de medio puente. Capítulo 2: Diseño simulado y real de las técnicas de modulación PWM y de un inversor de medio puente. En el marco de este capítulo se procede, en un primer momento, a modelar el diseño de las simulaciones correspondientes a las modulaciones de las técnicas PWM y su principio de funcionamiento. En un segundo momento, se realiza un análisis descriptivo de cada instrumento que se utilizó en el montaje de las configuraciones de las técnicas PWM; explicando su principio de funcionamiento y aplicación. 2.1 Diseño simulado de la Modulación Cuadrada. El sistema contiene un circuito que muestra la operación del generador de pulso, el cual se utiliza para generar una onda cuadrada de un período de 0.1 segundos que se conecta al bloque suma. Este a su vez tiene una constante, (utilizando 3 como valor) que será conectado a otro bloque suma. Por la otra entrada tiene un generador de onda de referencia triangular, con frecuencia de 100Hz; este bloque suma está conectado a un interruptor de tres entradas con dos constantes (en este caso se toma como valor 3,-3). Cada uno de estos bloques se conecta a un multiplexor de tres entradas, el cual se utiliza. para unir las tres señales y mostrarlas en el. osciloscopio, como se muestra en la figura 2.1.[11]. Figura 2.1 Diagrama de bloques de la Modulación Cuadrada.. 24.

(35) Diseño simulado y real de las técnicas de modulación PWM y de un inversor de medio puente. 2.2 Diseño simulado de la Modulación Senoidal. En la electrónica de potencia, la modulación del ancho de pulso se utiliza como una señal de control. Una de las estrategias de modulación más utilizadas es el PWM senoidal, la cual opera en sincronía con la línea de alimentación y facilita su implementación.[11] En la figura 2.2 se muestra un circuito que está formado por un bloque seno para generar una onda de referencia senoidal que se conecta a un sumador de dos entradas. Por la entrada negativa del sumador se conecta un generador de onda para generar una onda portadora triangular con una frecuencia de 100Hz. La salida está conectada a un interruptor de tres entradas con dos constantes, una salida que se conecta a un multiplexor de tres entradas, el cual se utiliza para unir las señales y por la salida de este se conecta un osciloscopio para ver la forma de onda que se obtiene del esquema.. Figura 2.2 Diagrama de bloques de la Modulación Senoidal.. 25.

(36) Diseño simulado y real de las técnicas de modulación PWM y de un inversor de medio puente 2.3 Diseño simulado de un inversor de medio puente. Idealmente el voltaje de salida en ac debe tener un forma senoidal, pero en la realidad no es así tiene una forma cuadrada o casi cuadrada y además contiene ciertas armónicas. En aplicaciones de mediana y baja potencia la forma de onda cuadrada puede ser aceptada pero para aplicaciones de alta potencia no.[16] En la figura 2.3 se muestra un circuito formado por dos fuentes de 5V, cada una va conectada en serie a un transistor IBGT. Entre el transistor y el generador de impulsos existen dos conectores intermedios, cuya función es disminuir el número de líneas conectoras; mediante los mismos se les introduce una onda cuadrada a cada transistor. Todo el esquema antes mencionado va conectado al positivo de un amperímetro para medir la magnitud de la corriente de una carga de 200Ω, que va al negativo de este y su salida de corriente va a una de las entradas del osciloscopio. La carga a su vez va conectada al positivo de un voltímetro, el negativo va a tierra y la salida de voltaje va conectada al osciloscopio, el cual muestra las formas de ondas que se obtienen del esquema.. Figura 2.3 Diagrama de bloques del inversor de medio puente. 2.4 Análisis técnico del montaje real de las modulaciones PWM. En el montaje real de las modulaciones de las técnicas PWM se procede a montar un circuito que caracterice cada una de ellas, para comparar los diferentes tipos de 26.

(37) Diseño simulado y real de las técnicas de modulación PWM y de un inversor de medio puente ondas variando la frecuencia y visualizar los parámetros que se obtienen en la entrada y la salida. 2.4.1 Dispositivos de implementación para el montaje real. Para la implementación de la práctica del montaje real se utilizaron los siguientes dispositivos dos osciloscopios marca ATTEM, modelo AT3728S, una breakboard modelo DAC-457000, una pastilla del tipo TL084CN, dos fuentes de corriente POWER SUPLLY modelo XJ174332L, dos transistores de mediana potencia y dos diodos. La descripción de estos serán presentados en los siguientes subepígrafes. 2.4.1.1 Circuito Digital Analógico (Breakboard). El Circuito Digital Analógico tiene grandes aplicaciones. Se utiliza para variar la componente directa y alterna en la entrada.. [23]. Con el mismo se puede controlar la. frecuencia y observar como varía la onda que se utiliza en la entrada y la salida. Se emplea además para variar la amplitud del pulso que se inyecta en la entrada, lo cual pudiera variar la frecuencia en la entrada y la salida. Este dispositivo puede implementarse con diferentes tipos de onda (cuadrada, senoidal y triangular); variando el rango de frecuencia de la onda que se quiere utilizar, cambia la frecuencia en la entrada y la salida. 2.4.1.2 Osciloscopio. El osciloscopio es un instrumento que permite visualizar fenómenos transitorios, así como formas de ondas en circuitos eléctricos y electrónicos. El funcionamiento del osciloscopio está basado en la posibilidad de desviar un haz de electrones mediante la creación de campos eléctricos y magnéticos. Los mismos son de gran utilidad en el análisis de circuitos, ya que permiten el estudio de tensiones variables con el tiempo, y de forma indirecta, de otras magnitudes relacionadas con la tensión. Así, por ejemplo, la intensidad eléctrica se puede conocer sin necesidad de estudiar la tensión entre los bornes de una resistencia por la que circule, ya que esta será proporcional a la tensión estudiada. [1][23][13][15]. De forma análoga se pueden analizar otras variables como la intensidad luminosa, temperatura, presión de una onda sonora, etc.. 27.

(38) Diseño simulado y real de las técnicas de modulación PWM y de un inversor de medio puente Es necesario ser muy cuidadoso para que no quede un punto fijo en la pantalla del osciloscopio, ya que este podría dañarse. Para lograr una correcta manipulación del osciloscopio es necesario conocer una serie de medidas expuestas a continuación: a). Medida del período de una señal:. El período es el tiempo que tarda en repetirse la señal. T. Para calcularlo se. multiplica la longitud medida en la pantalla del osciloscopio por el factor de escala de la base de tiempos. En la figura 2.8 se muestra un ejemplo de la medida del período de una señal.[20, 21]. Figura 2.8 Medición del período de una señal.. b). Determinación de la frecuencia y pulsación:. La frecuencia de una señal se define como la inversa del período: f = 1/T. La pulsación se define como 2π multiplicado por la frecuencia: ω = 2π f. c). Medida del desfase entre dos señales de la misma frecuencia:. Dadas dos señales senoidales de la misma frecuencia (y misma pulsación ω) se definen V1 y V2 mediante las expresiones 2.1 y 2.2. 𝑈1 = 𝑈1𝑚 cos(𝑤𝑡 + 𝜃1). [2.1] 28.

(39) Diseño simulado y real de las técnicas de modulación PWM y de un inversor de medio puente 𝑈1 = 𝑈2𝑚 cos(𝑤𝑡 + 𝜃2). [2.2]. Se llama desfase entre las dos ondas a la diferencia de fase entre ellas φ = φ 2 -φ1. El desfase entre dos señales de la misma frecuencia se puede medir de dos formas: 1. A partir de la representación dual de ambas señales. Ambas funciones se anulan en los instantes t1 y t2 respectivamente como se muestra en la figura 2.9.. Figura 2.9. Anulación de las funciones en los instantes t1 y t2.. 2. Mediante las figuras de Lissajous, que pueden observarse en la pantalla del osciloscopio con el modo x-y (pulsando la tecla 5), de esta forma la señal del canal I se representa en el eje vertical y la del canal II en el eje horizontal. Los diagramas siguientes son los resultados de dos señales de la misma frecuencia con ángulos de desfase de 0º, 35º, 90º y 180º tal y como se muestra en la figura 2.10.. 29.

(40) Diseño simulado y real de las técnicas de modulación PWM y de un inversor de medio puente. Figura 2.10. Señales de la misma frecuencia con ángulos de desfase de 0º, 35º, 90º y 180º.. 2.4.1.3 Amplificador Operacional (pastilla del tipo TL084CN). El amplificador operacional es un dispositivo con realimentación que se encuentra en el mercado como una pastilla de circuito integrado (Véase figura 2.11). Es difícil enumerar la totalidad de aplicaciones de este circuito, de modo que se puede decir que sus aplicaciones están presentes en los sistemas de control. [11, 22]. Figura 2.11 Pastilla del tipo TL084CN.. La pastilla empleada para el montaje de la práctica real es del tipo TL084CN y está constítuido por cuatro operacionales dentro de una misma pastilla. Los diferentes pines de esta son: 30.

(41) Diseño simulado y real de las técnicas de modulación PWM y de un inversor de medio puente 1-Ouput. 14-Ouput 3. 2-invert in. 13-invert in 3. 3-No invert in. 12-No invert in. 4-Vcc (+). 11-Vcc (-). 5-No invert in 2. 10-No invert in 4. 6-Invert in 2. 9-Invert in (4). 7-Ouput 2. 8-Ouput 4. Como aspectos generales de la pastilla TL084CN se deben mencionar las siguientes:  El pin uno es la salida de la onda.  El pin dos es donde se controla la componente directa y la componente alterna; está conectado a un voltaje de 1 a 2 V.  El pin tres también se controla desde la entrada donde se le inyecta la onda triangular, senoidal o cuadrada en dependencia de la que se desee utilizar.  La cuatro es de la alimentación que se realiza con 12 V. 2.5 Descripción técnica del montaje del circuito real. Para el montaje del circuito real se conectó en el Digital Analog Circuit la pastilla TL084 CN, un inversor en medio puente y un osciloscopio de la siguiente forma:  Alimentamos por la pata 4(+)Vcc con +15V y por la pata 11(-)Vcc con -15V.  Por la pata 2 la cual es inversora del Ic un pulso triangular.  Por la pata 3 que es no inversora se le introduce un voltaje de 1.2V como referencia.  Por la pata 1 que es la salida del inversor obtuvimos una onda cuadrada.  Por la pata 5 que es no inversora se le introduce un voltaje de 1.2V.  Por la pata 6 que es inversora un pulso triangular.  Por la pata 7, salida se obtuvo una onda cuadrada. Todo esto con el fin de alimentar la base de Q1 y de Q2 para el proceso de inversión.  El diodo D1 en sentido de conducción de emisor al colector de Q1.  El diodo D2 en sentido de conducción de emisor al colector de Q2.  El emisor de Q1 en serie con el colector de Q2 con una intersección que va al centro de D1 y D2 junto con un extremo de una resistencia de carga de 200Ω, 31.

(42) Diseño simulado y real de las técnicas de modulación PWM y de un inversor de medio puente el otro extremo de la resistencia va al medio de las fuentes independientes cada una de 5V. A pesar de que la modulación senoidal es la más aplicada y la de mejores resultados al cuanto al contenido de armónicos, para el montaje del inversor se utilizó la modulación de un solo ancho de pulso (modulación cuadrada) por su sencillez y sus resultados satisfactorios para fines docentes. No obstante se puede ver el montaje real de la modulación senoidal y del resto de las técnicas en otro laboratorio real de la asignatura.. Es preciso señalar que la pastilla TL084CN no tiene protección contra inversiones de polaridad, por lo que es importante ser muy cuidadoso en el momento de conectar la fuente de alimentación. La fuente positiva (+V) va al pin 4 y la negativa (-V) al pin 11. La tierra queda conectada a través de los elementos externos.. Figura 2.12 Muestra de conexión del circuito real.. 32.

(43) Análisis de los resultados de las simulaciones y la práctica real. Capítulo 3: Análisis de resultados de las simulaciones y la práctica real. En este capítulo se efectúa un análisis de los resultados de las simulaciones realizadas en la práctica virtual a través del Simulink. Las mismas serán mostradas en los osciloscopios, reflejando cada una de las ondas, ya sea cuadrada o senoidal. Se detallan las ondas portadoras y de referencia. se procede a comparar los resultados de la práctica real con la virtual. Se analiza lo que sucede al variar la frecuencia y los valores que toma tanto en la entrada y salida de los osciloscopios los diferentes tipos de ondas utilizadas en la práctica virtual. De igual modo se muestran los cambios de frecuencia al variar la componente directa desde el origen. Por otra parte se exponen diferentes valores de frecuencia en cada una de las ondas (triangular, senoidal y cuadrada) que se montaron en el laboratorio real. Se referirá al igual que en las simulaciones, cómo variando la amplitud en la práctica real, la frecuencia varía tanto en la entrada como en la salida de los osciloscopios; mostrándose los resultados obtenidos en cada variante utilizada en el estudio real. Con posterioridad se realiza una comparación entre las simulaciones obtenidas del Simulink y las que se obtuvieron en el laboratorio real. 3.1. Resultados de las simulaciones. En este epígrafe se muestran los resultados técnicos obtenidos de las simulaciones realizadas en el Simulink para las diferentes formas de ondas (cuadrada, senoidal, por inyección de armónicos, delta y trapezoidal). Se realiza una explicación detallada de las posibles transformaciones en cada una de las simulaciones realizadas, mostrándose las variaciones de frecuencia y señalando el funcionamiento de. la. señal de referencia y la señal portadora. 3.1.1 Resultados de la simulación de la onda cuadrada. En el estudio de la simulación de la onda cuadrada se comprobó que utilizando varios pulsos en cada ciclo de voltaje de salida, puede producirse un contenido de armónicos. Este análisis se realizó mediante la generación de señales de excitación, como se muestra en la figura 3.1.. 33.

(44) Análisis de los resultados de las simulaciones y la práctica real No es más que la comparación de una señal de referencia con una onda portadora triangular. La frecuencia de la señal de referencia se establece como señal de salida.. Figura 3.1 Modulación de la onda cuadrada.. 3.1.2 Resultados de la simulación de la onda Senoidal. En la realización de esta simulación se obtuvo como resultado, según muestra el osciloscopio, que la modulación senoidal del ancho de pulso varía en proporción con la amplitud evaluada en el centro del mismo pulso, como se muestra en la figura 3.2. La misma se genera al comparar una señal de referencia con una onda portadora triangular.. Figura 3.2 Modulación de la onda senoidal.. 34.

(45) Análisis de los resultados de las simulaciones y la práctica real 3.1.3 Resultados de la simulación del inversor de medio puente. Al realizarse esta simulación se obtuvo como resultado, según muestra el osciloscopio, una onda cuadrada para la magnitud de corriente y para la de voltaje las cuales pueden cambiar en proporción dependiendo de variaciones de frecuencia como se muestra en la figura 3.3.. Figura 3.3 Señal a la salida de del inversor de medio puente.. 3.2 Análisis de los resultados obtenidos en el laboratorio real. En este epígrafe se exponen cada uno de los resultados obtenidos en la práctica real a través de los osciloscopios de cada una de las ondas (cuadrada, senoidal o triangular) y se detallan las variaciones de cada una de las componentes directas. En un segundo momento, a partir de las variaciones de la frecuencia en cada una de las ondas, se puede observar el valor que adquieren tanto en la entrada como en la salida de cada uno de los osciloscopios; lo cual permite obtener valores, compararlos y arribar a conclusiones. 3.2.1 Resultado real de la modulación cuadrada. En el osciloscopio de la figura 3.4 utilizado en la práctica real para el análisis de la onda cuadrada, se muestra la entrada de la onda que fue alimentada energéticamente desde la breakboard, la componente directa se encuentra en el origen de coordenada. Esta práctica se realizó con el montaje del circuito real, utilizando la pastilla TL084CN.. 35.

(46) Análisis de los resultados de las simulaciones y la práctica real. Figura 3.4 Resultado real de la onda cuadrada.. 3.2.2 Resultado real de la modulación senoidal. La figura 3.5 muestra el osciloscopio utilizado en la práctica real, en el mismo se muestra la onda senoidal y la componente directa que se encuentra en el origen de coordenadas. Se puede observar cómo en esta modulación la onda se suministra desde la entrada mediante la breakboard y con la utilización del circuito montado con la pastilla TL084CN.. Figura 3.5 Resultado real de la onda senoidal.. 36.

(47) Análisis de los resultados de las simulaciones y la práctica real 3.2.3 Resultado real mostrado en la salida del inversor de medio puente. El osciloscopio mostrado en la figura 3.6 muestra la onda resultante a la salida de inversor al cual se le introdujo por la entrada una onda cuadrada. Esto siempre debe dar una onda cuadrada la cual puede variar en dependencia de la frecuencia al inyectarle los diferentes tipos de onda (triangular, senoidal o cuadrada) desde la breakboard y con la utilización del circuito real, utilizando la pastilla TL084CN. Como características generales del osciloscopio es necesario señalar que trabaja con un voltaje de 5 V y un tiempo de división de 1 ms. Al variar desde la entrada, la componente directa o alterna, la frecuencia, la amplitud de pulso o el tamaño de pulso,. se verá reflejada en la salida una variación de frecuencia, manteniendo. siempre la onda cuadrada.. Figura 3.6 Resultado de la onda a salida del inversor.. 3.2.4 Resultados analíticos de las frecuencias de entrada y salida. En este acápite se mostrarán los valores de frecuencia tomados por dos osciloscopios, uno en. la entrada y otro en la. salida de la pastilla TL084CN,. manteniendo la componente directa constante al igual que la amplitud de pulso y sin variar los valores de frecuencia en cada uno de los pasos. En la tabla 3.1 se muestran los valores de frecuencias obtenidas de los osciloscopios uno y dos (uno visualiza la entrada y otro la salida), para el caso real de una onda 37.

(48) Análisis de los resultados de las simulaciones y la práctica real triangular. Se puede apreciar en este caso que los valores de frecuencia en la salida son mayores que en la entrada. Tabla 3.1: Resultados analíticos de la frecuencia en la entrada y la salida.. Onda triangular. Osciloscopio 2 (entrada). Osciloscopio 1 (salida). Frecuencia 1. 0,0018kHz. Frecuencia 1. 0.1847kHz. Frecuencia 2. 0.0032kHz. Frecuencia 2. 0.297kHz. Frecuencia 3. 0.0058kHz. Frecuencia 3. 0.5426kHz. En la tabla 3.2 se pueden observar los valores de frecuencia de la onda senoidal tanto en la entrada como en la salida, en cada uno de los osciloscopios. Se puede apreciar en este caso que los valores de frecuencia en la salida son mayores que en la entrada. Tabla 3.2 Resultados analíticos de la frecuencia en la entrada y la salida.. Onda Senoidal. Osciloscopio 2 (entrada). Osciloscopio 1 (salida). Frecuencia 1. 0,008kHz. Frecuencia 1. 0.311kHz. Frecuencia 2. 0.007kHz. Frecuencia 2. 0.27kHz. Frecuencia 3. 0.0023kHz. Frecuencia 3. 0.309kHz. Tabla 3.3 Resultados analíticos de la frecuencia en la entrada y la salida.. Onda Cuadrada. Osciloscopio 2 (entrada). Osciloscopio 1 (salida). Frecuencia 1. 0,047kHz. Frecuencia 1. 0.187kHz. Frecuencia 2. 0.061kHz. Frecuencia 2. 0.319kHz. Frecuencia 3. 0.060kHz. Frecuencia 3. 0.44kHz. 38.

(49) Análisis de los resultados de las simulaciones y la práctica real En la tabla 3.3 se muestran los valores de frecuencia tomados para la onda cuadrada en cada uno de los osciloscopios, los cuales muestran la entrada y la salida de la onda. Estos valores de frecuencia también son tomados con una amplitud constante pero ahora manteniendo la componente directa en el origen de coordenadas. En la tabla 3.4 se puede observar cómo los valores de frecuencia con la componente directa en el origen han aumentado. Tabla 3.4 Resultados de la frecuencia con la componente directa en el origen. Onda Triangular. Osciloscopio 2 (entrada). Osciloscopio 1 (salida). Frecuencia 1. 0,023kHz. Frecuencia 1. 0.207kHz. Frecuencia 2. 0.025kHz. Frecuencia 2. 0.315kHz. Frecuencia 3. 0.033kHz. Frecuencia 3. 0.435kHz. En la tabla 3.5 se muestran los valores de cada uno de los osciloscopios pero con la componente directa en el origen. Observe que son mayores que la de la onda anterior. Tabla 3.5 Resultados de la frecuencia con la componente directa en el origen.. Onda Senoidal. Osciloscopio 2 (entrada). Osciloscopio 1 (salida). Frecuencia 1. 0,052kHz. Frecuencia 1. 0.197kHz. Frecuencia 2. 0.057kHz. Frecuencia 2. 0.301kHz. Frecuencia 3. 0.059kHz. Frecuencia 3. 0.511kHz. En la tabla 3.6 se pueden apreciar los valores de frecuencia de la onda cuadrada mostrados por cada uno de los osciloscopios. Observe que son mayores con la componente directa en el origen. Tabla 3.6 Resultados de la frecuencia con la componente directa en el origen.. 39.

(50) Análisis de los resultados de las simulaciones y la práctica real. Onda Cuadrada. Osciloscopio 2 (entrada). Osciloscopio 1 (salida). Frecuencia 1. 0,139kHz. Frecuencia 1. 0.191kHz. Frecuencia 2. 0.139kHz. Frecuencia 2. 0.315kHz. Frecuencia 3. 0.134kHz. Frecuencia 3. 0.432kHz. 3.3 Análisis comparativos entre los resultados simulados y reales. En este acápite se realiza una comparación de los resultados de cada una de las ondas (cuadrada y senoidal) para mostrar la similitud que existe entre ellas. En la figura 3.7 se muestra la comparación de la onda cuadrada tanto la de la práctica real montada con la breakboard y la pastilla TL084 como la simulada.. Figura 3.7 Representación de la onda cuadrada simulada y real.. En la figura 3.8 se muestra la comparación entre la onda senoidal montada en el laboratorio con la utilización de la pastilla TL084CN y la brearkboard, así como la que se obtuvo de las simulaciones, evidenciándose una gran similitud.. 40.

(51) Análisis de los resultados de las simulaciones y la práctica real. Figura 3.8 Representación de la onda senoidal simulada y real.. En la figura 3.9 se muestra la comparación entre la onda a la salida del inversor montada en el laboratorio a través de la pastilla TL084CN y la brearkboard así como la resultante de las simulaciones realizadas con el Simulink, donde se puede observar una gran similitud.. Figura 3.9 Representación de la onda de salida del inversor simulada y real.. 41.

(52) Conclusiones. Conclusiones Luego de haber realizado un estudio técnico detallado relacionado con las técnicas de modulación por ancho de pulso PWM y de los inversores monofásicos se arribaron a las siguientes conclusiones:. 1. Se realizó una revisión bibliográfica acerca del tema donde se constató que es vital el control de modulación del ancho de pulso PWM en aplicaciones industriales, ya que en ocasiones resulta necesario controlar la ganancia y el voltaje de salida en los inversores.. 2. En el análisis de las simulaciones y de la práctica real se puede precisar:  Al alimentar el inversor con la modulación de un solo ancho de pulso se obtuvieron resultados satisfactorios. y dio la posibilidad de observar. diferentes comportamientos del inversor variando algunos parámetros, lo que posibilitó su comparación.. 3. Al comparar los resultados simulados y reales de las formas de ondas (cuadrada, senoidal) se pudo constatar que entre estas existe una gran sililitud.. 42.

(53) Recomendaciones. Recomendaciones Teniendo en cuenta la importancia de las técnicas de modulación por ancho de pulso PWM para el control del voltaje de salida de los inversores, se recomienda efectuar un procedimiento de trabajo similar al que se realizó durante el desarrollo del presente trabajo de diploma, utilizando otras configuraciones de inversores y de técnicas de modulación PWM.. 43.

(54) Referencias Bibliográficas. Referencias Bibliográficas [1]. [2] [3] [4]. [5]. [6] [7]. [8]. [9] [10] [11] [12] [13] [14] [15] [16]. Esteban Barrantes Vásquez, "Diseño y simulación de un inversor," Facultad de Ingeniería. Escuela de Ingeniería Eléctrica Universidad de Costa Rica, Ciudad Universitaria Rodrigo Facio, 2007. Ternium, "Electrónica básica I," ed. J. Steve. (2013, INVERSORES DE VOLTAJE. Electronica y Telecomunicaciones. Rodríguez Ortíz Carlos Andres, "DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE PRÁCTICAS PARA EL LABORATORIO DE ELECTRÓNICA INDUSTRIAL: INVERSOR MONOFÁSICO," FACULTAD DE INGENIERÍA. DEPARTAMENTODEELECTRÓNICA,D.C., PONTIFICIA UNIVERSIDAD JAVERIANA, Bogotá, 2004. (2000, Convertidores CC/CA - Onduladores o Inversores. Tema 2 Available: http://www.juntadeandalucia.es/averroes/~11000381/spip/IMG/pdf/TEMA2ES.pdf I.T.T.(S.E.), "Inversores," in Introducción a la Electrónica de Potencia, ed Universitat de València, 2007. Mario Ponce Flores; Ismael Araujo Vargas; Fermín Valencia Figueroa, "Diseño y construcción de un convertidor inversor de potencia de 500 W con control digital de modulación de ancho de pulso sinusoidal para el Laboratorio de Electrónica de la ESIME Culhuacan," Ingeniería en Comunicaciones y Electrónica, Instituto Politécnico Nacional. Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica., Culhuacan 2008. Angel Vernavá; Roberto Gibbons; Antonio Nachez; Marcelo Arias; Armando Novello, "ELECTRONICA DE POTENCIA: CONVERSION CC/CA MONOFASICA. INVERSORES MONOFASICOS AUTONOMOS ", Facultad de Ciencias Exactas, Ingeniería y Agrimensura, Universidad Nacional de Rosario, Rosario, 2006. Rojas Vargas César Augusto, Diseño y simulación de técnicas de modulación PWM natural para el control de motores trifásicos. Pamplona Colombia, 2006. "Title," unpublished|. Rashid M.H., Electrónica de potencia. Circuitos, dispositivos y aplicaciones. Castro Elio, Diseño asistido por computadora del patrón de encendido en inversores de tensión, utilizando la técnica de control PWM. La Habana, 1998. Ciro Alberto Núñez Gutiérrez, "Técnicas de Modulacion PWM," Universidad Autónoma de Potosí, 2004. Convertidores CC-CA: inversores de onda cuadrada. Available: http://www.uv.es/emaset/iep00/descargas/INVERSORES%20SQW.pdf JUAN CARLOS JIMENEZ. ELECTRONICA DE POTENCIA: CIRCUITOS INVERSORES Omar Castro Iturralde; Javier Guapisaca Lino; Christian Morales Duque, "Diseño y construcción de un Convertidor DC/AC Trifásico utilizando la Técnica PWM y Control de Frecuencia mediante Microcontrolador," Facultad de Ingeniería en Electricidad y Computación, ESCUELA SUPERIOR POLITECNICA DEL LITORAL. , GUAYAQUIL – ECUADOR, 2005. 44.

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