tesis svpwm para deber 5
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ESCUELA SUPERIOR POLITCNICA DEL LITORAL
Facultad de Ingeniera en Electricidad y Computacin
ANLISIS, DISEO E IMPLEMENTACIN DE UN SISTEMA DE ALIMENTACIN ININTERRUMPIDA (UPS) BASADO EN UN
CONVERTIDOR TRIFSICO MEDIANTE MODULACIN POR ANCHO DE PULSO CON LA TCNICA SINUSOIDAL PWM (SPWM) CONTROLADO
POR UN PROCESADOR DE SEALES DIGITALES (DSP)
TESIS DE GRADO
Previo a la obtencin del ttulo de:
INGENIERO EN ELECTRICIDAD ESPECIALIZACIN ELECTRNICA Y AUTOMATIZACIN INDUSTRIAL
Presentada por:
Francisco Javier Garzn Andrade
Mildred Rosa Meja Orellana
Ren Douglas Padilla Rizzo
GUAYAQUIL - ECUADOR
2008
-
II
AGRADECIMIENTO
A nuestras familias, seres
queridos, amigos y a todos
quienes de alguna u otra
manera nos brindaron su apoyo
incondicional, e hicieron que
esto sea posible.
-
III
DEDICATORIA
A nuestros padres, familiares,
seres queridos y amigos.
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IV
TRIBUNAL DE GRADUACIN Ing. Holger Cevallos Ing. Sxifo Falcones SUB-DECANO DE LA FACULTAD DIRECTOR DEL TOPICO
PRESIDENTE
Msc. Carlos Salazar Ing. Carlos Valdivieso
VOCAL PRINCIPAL VOCAL PRICIPAL
-
V
DECLARACIN EXPRESA La responsabilidad del contenido de esta Tesis de Grado, nos corresponden
exclusivamente; y el patrimonio intelectual de la misma a la ESCUELA
SUPERIOR POLITCNICA DEL LITORAL
(Reglamento de Graduacin de la ESPOL).
Francisco Javier Garzn Andrade
Mildred Rosa Meja Orellana
Ren Douglas Padilla Rizzo
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VI
RESUMEN
Este trabajo consiste en la implementacin de un MODELO DIDACTICO de la
operacin de un Sistema de Alimentacin Ininterrumpida (SAI UPS) de
Lnea Interactiva, basado en sus dos modos de operacin INVERSOR PWM y
RECTIFICADOR PWM, implementados de forma independiente.
El convertidor utilizado para esta aplicacin es un Bloque Trifsico de IGBT
con su respectivo circuito de disparo y proteccin.
La tcnica del control de disparos escogida corresponde a la Modulacin por
Ancho de Pulso Sinusoidal (SPWM), para lo cual se us un Procesador Digital
de Seales (DSP) programable en la plataforma SIMULINK/MATLAB.
Este proyecto propone tambin una simulacin de un lazo cerrado de control
para la operacin de un UPS.
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VII
INDICE GENERAL
AGRADECIMIENTO..II
DEDICATORIA..III
TRIBUNAL DE GRADUACIN...IV
DECLARACIN EXPRESADAV
RESUMEN.VI
INDICE GENERAL..VII
ABREVIATURAS....XIII
SIMBOLOGIA...XV
NDICE DE FIGURAS.XVIII
NDICE DE TABLAS....XXV
INTRODUCCIN1
CAPITULO 1
1. Conceptos de Calidad de Energa.....2
1.1. Calidad de Energa (Historia)..2
1.2. Perdidas Calidad de Energa......5
1.3. Factores que afectan la Calidad de Energa....7
1.3.1. Transitorios.......8
1.3.1.1. Disturbios Impulsivos....9
-
VIII
1.3.1.2. Disturbios Oscilatorios....10
1.3.2. Efectos de Corta Duracin...11
1.3.2.1. Interrupciones......12
1.3.2.2. SAG de Tensin..12
1.3.2.3. SWELL de Tensin.14
1.3.3. Efectos de Larga Duracin..15
1.3.3.1. Interrupciones Sustentadas...16
1.3.3.2. Sobretensiones.......17
1.3.3.3. Subtensiones.......18
1.3.3.4. Desequilibrio de tensin.18
1.3.4. Secuenciales......19
1.3.4.1. Armnicos........20
1.3.4.2. Notch.........24
1.3.4.3. Ruido.........25
1.3.5. Fluctuaciones de Tensin26
1.3.5.1. Flicker....27
1.4. Compensadores de Calidad de Energa.28
1.4.1. Distributed Static Compensator (DSTATCOM)29
1.4.2. Dynamic Voltage Restorer (DVR)..30
1.4.3. Uninterruptible Power Supply (UPS).32
1.4.4. Anlisis de aplicacin de los Compensadores.33
-
IX
CAPITULO 2
2. Sistema de Alimentacin Ininterrumpida (UPS)35
2.1. Historia de los UPS.....36
2.2. Definicin y Funcionamiento de un UPS.....37
2.3. Topologas modernas de los UPS....39
2.3.1. UPS Standby.....40
2.3.2. UPS Standby Ferro...42
2.3.3. UPS Lnea Interactiva...42
2.3.4. UPS Doble Conversin On-Line.45
2.3.5. UPS Conversin On-Line Delta..47
2.3.6. Aplicaciones de las Topologas...48
2.3.6.1. Ventajas y Desventajas......49
2.4. Seleccin de la Topologa a utilizar.....53
2.5. UPS Lnea Interactiva....53
2.5.1. Principio de Funcionamiento...54
2.5.2. Ventajas y Desventajas56
2.5.3. Etapas de operacin.57
2.5.3.1. Etapa Inversora.......57
2.5.3.2. Etapa Rectificadora.....59
2.5.4. Caractersticas de la Batera60
2.6. Caractersticas principales del UPS Lnea Interactiva a disear....61
-
X
CAPITULO 3
3. Principios de Convertidores PWM...62
3.1. Convertidores DC-DC....62
3.1.1. Reductor (Buck).....64
3.1.2. Elevador (Boost)65
3.1.3. Modelos...67
3.1.3.1. De gran seal...67
3.1.3.2. De pequea seal68
3.2. Convertidores Trifsicos....70
3.2.1. Inversor PWM.70
3.2.2. Rectificador PWM..74
3.2.3. Modulacin Sinusoidal..75
3.2.4. Modelos...79
3.2.5. Controlador.....86
3.2.5.1. Transformada de Park87
3.2.5.2. Controladores PI..89
3.2.5.3. Circuito PLL..91
3.3. Diseo del Convertidor Trifsico para un UPS Lnea Interactiva....93
3.3.1. Especificaciones....94
3.3.2. Clculo de los parmetros del diseo95
3.3.2.1. Clculo de la Inductancia...95
3.3.2.2. Clculo de la Capacitancia.99
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XI
3.3.2.3. Clculo de Semiconductores...100
3.3.3. Simulaciones....101
CAPITULO 4
4. Diseo de Controladores Digitales106
4.1. Principio de funcionamiento....106
4.2. Ventajas y Desventajas...108
4.3. Procesador digital de seal.109
4.3.1. Ventajas sobre Microcontroladores..111
4.3.2. La Familia TMS320C2000.....112
4.3.3. Tarjeta eZdsp......114
4.4. Herramientas de Matlab...115
4.4.1. Simulink....115
4.4.2. PLECS......116
4.4.3. Target for TI C2000....117
4.5. Diseo del Controlador para un UPS Lnea Interactiva..118
4.5.1. Especificaciones.....119
4.5.2. Modelacin......120
4.5.3. Simulaciones...124
4.6. Implementacin en el DSP TMS320F2812..130
4.6.1. Herramientas utilizadas..131
4.6.2. Programa para la Implementacin132
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XII
OBSERVACIONES Y RESULTADOS....139
CONCLUSIONES..157
RECOMENDACIONES.159
PROYECTO FUTURO..159
BIBLIOGRAFIA...160
ANEXOS..163
ANEXO A: PLAN DE ACTIVIDADES..164
ANEXO B: ESQUEMTICOS..167
ANEXO C: HOJAS DE ESPECIFICACIONES..173
ANEXO D: IMPRESO DE TARJETAS175
ANEXO E: ANALISIS DE COSTO..179
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XIII
ABREVIATURAS
AC Corriente Alterna
ADC Convertidor anlogo digital
CEE Calidad de la Energa Elctrica
DAC Convertidor digital anlogo
DC Corriente Directa
DMA Acceso directo de memoria
DMA Acceso directo de memoria
DSP Procesador digital de seales
DSTATCOM Compensador Esttico de Distribucin
DVR Restaurador Dinmico de Voltaje
fs Frecuencia de conmutacin
GTO Tiristores de desactivacin por compuerta
Hz Hertz
IDC Corriente en el lado DC
IEEE Instituto de Ingenieros Elctricos y Electrnicos
IMOD Corriente modulada
IQN Nmero entero con Q decimales
Ki Constante de integracin
MAC Multiplicacin y acumulacin
MATLAB Laboratorio de matrices
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XIV
p.u. Por Unidad
PCB Tarjeta de circuito impreso
PI Controlador proporcional integral
PLECS Simulacin de Circuitos Lineales Elctricos
PLL Lazo de seguimiento o enganche de fase
PM Margen de fase
PQ Calidad de la Potencia (Power Quality)
PWM Modulacin por ancho de pulsos
Rms Valor eficaz
Sag Depresin de tensin
SAI Sistema de alimentacin Ininterrumpida
SCR Rectificadores de silicio controlado
SPWM Modulacin por ancho de pulsos (tcnica senoidal)
SVPWM Modulacin por ancho de pulsos (tcnica de vector espacial)
Swell Salto de tensin
THD Distorsin Total de Armnicos
TI Texas Instruments
Ts Perodo de conmutacin
UPS Sistema de Potencia Ininterrumpible
VA Voltios Amperios
VDC Voltaje en el lado DC
VMOD Voltaje modulado
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XV
SIMBOLOGA
X Cambio en la seal X
C Capacitancia
D Ciclo de trabajo
IDC Corriente DC
IL Corriente de la carga
Is Corriente de la fuente
IMAX Corriente mxima
IMOD Corriente moduladora
THD Distorsin total armnica
fs Frecuencia de conmutacin
fc Frecuencia de corte
Cos() Funcin coseno
Gc Funcin del controlador
Sen() Funcin seno
M ndice de modulacin
L Inductancia
Lmin Inductancia mnima
PM Margen de fase
Ts Perodo de Conmutacin
P Potencia activa
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XVI
PD Potencia disipada en el IGBT
Q Potencia reactiva
R Resistencia
RL Resistencia de la carga
IL Rizado pico a pico de la corriente
Vo Rizado pico a pico de voltaje
Xq Seal de desfase en el marco rotacional
Xd Seal de magnitud en el marco rotacional
Seal moduladora alfa
Seal moduladora beta
S Interruptor apagado o abierto
t Tiempo
Velocidad angular
VDC Voltaje DC
Vin Voltaje de entrada
Vs Voltaje de la fuente trifsica
Vout Voltaje de salida o voltaje en la carga
VL Voltaje en la carga
Va Voltaje en la fase a
Vb Voltaje en la fase b
Vc Voltaje en la fase c
Vab Voltaje entre lneas a y b
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XVII
Vbc Voltaje entre lneas b y c
Vca Voltaje entre lneas c y a
VMAX Voltaje mximo
VLMAX Voltaje mximo en el inductor
VMOD Voltaje modulador
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XVIII
INDICE DE FIGURAS
Capitulo 1
Figura 1.1 Esquema Sistema Elctrico Inicial...3
Figura 1.2 Esquema Sistema Elctrico Actual..3
Figura 1.3 Grfica de un Impulso Atmosfrico10
Figura 1.4 Disturbio Oscilatorio.10
Figura 1.5 Interrupcin12
Figura 1.6 Depresin de Tensin (SAG).....13
Figura 1.7 Incremento de Tensin (SWELL)..15
Figura 1.8 Interrupcin Sustentada .16
Figura 1.9 Sobretensin.17
Figura 1.10 Subtensin.18
Figura 1.11 Grfica de Armnicos..22
Figura 1.12 Notch de Tensin.25
Figura 1.13 Ruido en una Seal de Tensin.26
Figura 1.14 Flicker.28
Figura 1.15 Esquema de un DSTATCOM.30
Figura 1.16 Foto de un DSTATCOM de marca PureWave.30
Figura 1.17 Esquema de un DVR...31
Figura 1.18 Foto de un DVR de marca PureWave..32
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XIX
Figura 1.19 UPS ON LINE33
Figura 1.20 Foto de un UPS de marca PureWave...33
Captulo 2
Figura 2.1 Diagrama Bsico de un UPS..38
Figura 2.2 Diagrama UPS Stand By.41
Figura 2.3 Diagrama UPS Stand By Ferro..42
Figura 2.4 Diagrama UPS Lnea Interactiva44
Figura 2.5 Diagrama UPS Doble Conversin Online.45
Figura 2.6 Diagrama UPS Delta Conversin Online..48
Figura 2.7 Efectividad vs. Frecuencia de Problemas de Calidad de
Energa UPS Stand By.51
Figura 2.8 Efectividad vs. Frecuencia de Problemas de Calidad de
Energa UPS Lnea Interactiva52
Figura 2.9 Efectividad vs. Frecuencia de Problemas de Calidad de
Energa UPS Doble Conversin.52
Figura 2.10 UPS Lnea Interactiva Operacin Normal.54
Figura 2.11 UPS Lnea Interactiva Operacin en Falla54
Figura 2.12 UPS Lnea Interactiva Recarga de Batera...55
Figura 2.13 Estructura Inversor...58
-
XX
Figura 2.14 Salida del Inversor59
Figura 2.15 Estructura Rectificador....60
Captulo 3
Figura 3.1 Esquema Convertidor DC-DC Bsico...63
Figura 3.2 Forma de onda de un convertidor DC-DC63
Figura 3.3 Convertidor Buck o Reductor.65
Figura 3.4 Convertidor Boost o Elevador.66
Figura 3.5 Diagrama de Gran Seal del Buck68
Figura 3.6 Ecuaciones del Convertidor Buck Gran Seal.68
Figura 3.7 Circuito equivalente Pequea Seal.69
Figura 3.8 Diagrama de Pequea Seal del Buck.69
Figura 3.9 Ecuaciones del Convertidor Buck Pequea Seal.70
Figura 3.10 Inversor Trifsico 6 Transistores y 6 Diodos...72
Figura 3.11 a) Modulacin SPWM, b) Voltaje Modulado A, c) Voltaje
Modulado B, d) Voltaje Modulado C, e) Voltaje Vab, f)
Voltaje Vbc, g) Voltaje Vca 73
Figura 3.12 Rectificador con Modulacin PWM75
Figura 3.13 Comparacin entre la Portadora y la Referencia76
Figura 3.14 Voltajes Modulados Generados (VaN, VbN y VcN)....77
-
XXI
Figura 3.15 Unifilar de un UPS Lnea Interactiva.79
Figura 3.16 Esquema Electrnico de un UPS Lnea Interactiva80
Figura 3.17 Esquema Electrnico del UPS MODO
RECTIFICADOR...80
Figura 3.18 Trasformada de Clark..88
Figura 3.19 Trasformada de Park...89
Figura 3.20 Diagrama de Bloques de un Control PI91
Figura 3.21 Diagrama de un Control PLL..92
Figura 3.22 Mdulo Convertidor IRAMY20UP60B..94
Figura 3.23 Dimensiones del Ncleo T520-40..97
Figura 3.24 Programa para diseo de inductores de
MICROMETALS97
Figura 3.25 Ingreso de parmetros para el diseo del inductor....98
Figura 3.26 Resultados para el diseo del inductor.98
Figura 3.27 Parmetros Bsicos para el IGBT...100
Figura 3.28 Convertidor MODO INVERSOR (Switch Abierto).101
Figura 3.29 Voltaje y Corriente en la Carga....101
Figura 3.30 Voltaje y Corriente Modulado......102
Figura 3.31 Corriente en la Batera..102
Figura 3.32 Convertidor MODO RECTIFICADOR (Switch
Cerrado).....................103
Figura 3.33 Voltaje y Corriente en la Carga103
-
XXII
Figura 3.34 Voltaje y Corriente Modulado...104
Figura 3.35 Corriente en la Batera..104
Captulo 4
Figura 4.1 Lazo tpico de Control108
Figura 4.2 Diagrama de Bloques de un sistema de Procesamiento
Digital110
Figura 4.3 Foto del DSP TMS320F2812......113
Figura 4.4 Foto del eZdsp TMF2812....114
Figura 4.5 Libreras Simulink...115
Figura 4.6 Librera PLECS...116
Figura 4.7 Bloques de Componentes de PLECS.116
Figura 4.8 Code Composer Studio.117
Figura 4.9 Libreras del Target para TI C2000.118
Figura 4.10 Ingreso de la funcin de Transferencia en
SISOTOOL........................120
Figura 4.11 Diagrama de BODE de magnitud y fase del sistema del
Lazo abierto.121
Figura 4.12 Tiempo de estabilizacin..121
Figura 4.13 Calculo del compensador.122
-
XXIII
Figura 4.14 Diagrama de BODE de magnitud y fase en Lazo
cerrado.123
Figura 4.15 Tiempo de Estabilizacin en Lazo cerrado123
Figura 4.16 Compensador PI VMOD / IMOD..124
Figura 4.17 Simulacin del UPS de Lnea Interactiva...125
Figura 4.18 Planta en Modelo Matemtico del UPS..125
Figura 4.19 Planta Real del UPS..126
Figura 4.20 Bloque PWM Sinusoidal126
Figura 4.21 Convertidor Trifsico..127
Figura 4.22 Transformada de Clark / Park abc dq...127
Figura 4.23 Corriente DC...128
Figura 4.24 Voltajes y Corrientes en la Carga129
Figura 4.25 Corriente en el Inductores.129
Figura 4.26 Corriente de en el Inductor (Transformado Vector
dq)............130
Figura 4.27 Bloques de la Librera TI C2000 utilizados132
Figura 4.28 Programa MODO INVERSOR.133
Figura 4.29 Entrada de Seales...133
Figura 4.30 Adecuacin de Seal (Por Unidad).134
Figura 4.31 Control de Magnitud y Fase.134
Figura 4.32 Control de Magnitud y Fase.134
Figura 4.33 Matriz de Desfase..135
-
XXI
Figura 4.34 Generador Sinusoidal136
Figura 4.35 Generacin PWM...136
Figura 4.36 Adecuacin de Seal (Porcentaje)..137
Figura 4.37 Programa MODO RECTIFICADOR137
Figura 4.38 Bloque ABC ab 138
-
XXV
XXV
INDICE DE TABLAS
Capitulo 1
Tabla 1.1 Clasificacin de los factores que afectan la Calidad de
Energa.8
Tabla 1.2 Comparacin de los Compensadores segn los
problemas de Calidad de Energa que corrigen..34
Capitulo 2
Tabla 2.1 Tabla comparativa de los atributos de diseo Vs.
topologas de los UPS.48
Tabla 2.2 Aplicaciones de las Topologas de UPS...49
Tabla 2.3 Ventajas y desventajas del UPS Stand By...49
Tabla 2.4 Ventajas y desventajas del UPS Lnea Interactiva..50
Tabla 2.5 Ventajas y desventajas del UPS Doble Conversin50
Tabla 2.6 Diferencias UPS Lnea Interactiva y Doble Conversin.57
Captulo 4
Tabla 4.1 Principales DSP, Fuentes: Revista EDN, May 1997,
-
XXV
XXV
XXV
XXV
pagina 44.110
Tabla 4.2 Comparacin Microcontrolador Vs. DSP111
Tabla 4.3 Cuadro comparativo de las clases de procesador
TMS320C2000113
Tabla 4.4 Operacin UPS para simulacin..128
-
1
INTRODUCCIN
Hoy en da, los estndares de calidad son cada vez ms exigentes, y un
mercado globalizado demanda: bajos costos, alta rentabilidad, calidad y
eficiencia. Curiosamente la Calidad de Energa guarda una estrecha relacin
con cada una de estas caractersticas, ya que la continuidad, confiabilidad y
calidad del servicio elctrico son decisivos, al poder ocasionar: la interrupcin
de un proceso de produccin, el dao en equipos sensibles y tiempos de
inactividad, que se traducen en prdidas: econmicas, de calidad y tiempo.
Por lo tanto, en la actualidad existen una serie de medidas correctivas y
preventivas que se basan en un conjunto de equipos y tcnicas que permiten
asegurar la calidad de energa en el lado del consumidor.
Una de las medidas correctivas es el Sistema de Alimentacin Ininterrumpida
(UPS), que garantiza un suministro de electricidad en el evento de una falla
en el suministro habitual, pudiendo tambin regular el flujo de electricidad,
controlando las subidas y bajadas de tensin y corriente existentes en la red
elctrica, resultando especialmente til ante cargas crticas, que requieran de
una alimentacin continua y limpia.
-
CAPTULO 1
1. CONCEPTOS DE CALIDAD DE ENERGA
1.1 Calidad de Energa (Historia)
Desde hace algunas dcadas y como una respuesta a las
necesidades de la industria y consumidores en general, ha habido
un constante desarrollo tecnolgico, con particular inters en la
Electrnica de Potencia, con el propsito de cumplir con las
exigencias de un mercado cada vez ms competitivo que demanda
calidad, continuidad de servicio energtico, disminucin de
costos/prdidas, procesos productivos eficientes, menor
dependencia del personal de planta, entre otras cosas.
Se desarrollaron entonces, nuevas tecnologas con componentes
ms eficientes, que alteraron la caracterstica cuasi lineal de las
-
3
cargas, transformndolas en su mayora en NO LINEALES,
alterando la respuesta habitualmente esperada de una forma
sinusoidal en la corriente a otras con nuevas caractersticas.
FIGURA 1.1 Esquema Sistema Elctrico inicial.
FIGURA 1.2 Esquema Sistema Elctrico actual.
-
4
Con el cambio de comportamiento de la carga se alter tambin el
Sistema de Suministro de Energa Elctrica, su precio y servicio, y
dado que constituye un factor decisivo de la economa, se cre el
concepto de Calidad de Energa, para cuyo desarrollo se trat el
problema de forma integral, con investigacin bsica y aplicada.
El trmino de Calidad de Energa Elctrica (CEE, en espaol y PQ-
Power Quality, en ingls) est relacionado directamente con las
perturbaciones que pueden afectar las condiciones elctricas del
suministro y ocasionar el mal funcionamiento o dao de equipos y
procesos, por lo que la Empresa Distribuidora debe garantizar un
servicio de costos viables, funcionamiento adecuado, seguro y
confiable, sin afectar el medio ambiente o el bienestar de las
personas. Tcnicamente hablando para la Empresa Distribuidora
esto implica un suministro con tensiones equilibradas, sinusoidales y
de amplitudes y frecuencias constantes. [5]
A nivel mundial se viene realizando estudios importantes de Calidad
de Energa desde hace 20 aos, los que muestran que ao a ao
aumentan los niveles de distorsin de tensin y sealan como causa
principal a los equipos electrnicos o cargas no lineales conectadas
a la red.
-
5
El objetivo de la Calidad de Energa es lograr un suministro con
calidad corrigiendo disturbios y variaciones de voltaje en el lado del
cliente y proponiendo soluciones para corregir fallas o problemas
que se presentan en el lado del sistema de las compaas
suministradoras de EE.EE., cuyo xito depende tanto de las
empresas de energa elctrica como de los consumidores y de los
fabricantes de equipos.
1.2 Prdidas de Calidad de Energa
La carga es lo que determina las Prdidas en la Calidad de Energa
pudiendo provocar:
Mal funcionamiento de los equipos conectados a la red
distribuidora, tal como: Transformadores, Bancos de Capacitares,
etc. Y errores en los datos.
Corrientes excesivas en los conductores de neutro que lo
sobrecalientan.
Altos niveles de tensin entre los conductores de neutro y tierra
los cuales causan errores en los datos.
Sobrecalentamiento y ruido acstico en transformadores,
motores y otros aparatos.
-
6
Campos magnticos muy intensos emitidos por transformadores.
Disminucin en el tiempo de vida de los equipos y sus elementos
constitutivos.
Sistemas de control electrnico que se paran inesperadamente.
Reinicio de los sistemas de manera frecuente.
Fallas inexplicables de motores y sistemas elctricos.
Circulacin continua de corriente en el conductor de puesta a
tierra.
Bajo Factor de Potencia provocado por un calentamiento
excesivo de los Bancos de Capacitares.
Operacin errnea de los dispositivos de control, los sistemas de
sealizacin principal y relevadores de proteccin.
Interferencia telefnica.
Daos a tarjetas electrnicas.
Variacin de la velocidad o del par en motores.
Apertura de contactores.
Colapso de sistemas de computacin o errores de medicin en
instrumentos equipados con dispositivos electrnicos.
Fallas en la conmutacin de convertidores.
Parpadeo en luminarias.
Bloqueo de programas de PLC's.
Baja eficiencia en motores elctricos, entre otros.
-
7
A nivel industrial un mantenimiento preventivo constante y la
instalacin de equipos de proteccin y de control, resultan
fundamentales para disminuir dichas Prdidas.
Mientras que para las compaas suministradoras una accin
preventiva corresponda a la utilizacin de equipos que puedan
proporcionar informacin acerca de las operaciones del sistema
elctrico en condiciones normales y anormales, ayudando a evitar
fallas catastrficas debido a cortos circuitos, resaltando reas con
problemas potenciales, ilustrando el efecto de la presencia de
armnicas e identificando las oportunidades para ahorrar costos con
la reduccin de la mxima demanda.
1.3 Factores que afectan la Calidad de Energa
A nivel industrial existen diversos factores que afectan la Calidad de
Energa, entre los cuales se encuentran:
Las Instalaciones de sistemas elctricos y electrnicos altamente
sensibles en instalaciones antiguas;
La Instalacin de equipos sensibles en instalaciones nuevas,
cuyos diseos no preveen problemas de calidad de energa;
-
8
Planes de proteccin inadecuados o inexistentes;
Diseo inadecuado de las instalaciones elctricas y los Sistemas
de puesta a tierra; entre otros.
Para un mejor entendimiento de los factores que afectan la Calidad
de Energa, stos han sido clasificados segn su duracin y forma
en la Tabla 1.1:
TABLA 1.1 Clasificacin de los factores que afectan la Calidad de Energa
1.3.1 Transitorios
Son clasificados como Transitorios aquellos eventos
indeseables en el sistema que son de naturaleza
momentnea. La duracin en que se presentan estos
eventos es aproximadamente menor a 0.5 ciclos.
-
9
Generalmente son causados por descargas atmosfricas, as
como tambin por maniobras de interruptores, por
oscilaciones comnmente debidas a la conexin de Bancos
de Capacitares y por cambios sbitos en el sistema de
suministro. Se clasifican en:
Disturbios Impulsivos, y,
Disturbios Oscilatorios.
3.1.1.1 Disturbios Impulsivos
1
No provoca alteraciones en las condiciones de estado estable de tensin o corriente.
2
Se atena rpidamente por la resistencia del sistema debido a que no tiene frecuencia, por lo que no se propaga muy lejos del lugar de origen.
CARACTERSTICAS
3 Tiene polaridad unidireccional.
ORIGEN Son de origen atmosfrico, llamados tambin impulsos atmosfricos.
EFECTOS Pueden causar falla inmediata en el aislamiento de los equipos y fuentes electrnicas.
-
10
FIGURA 1.3 Grfica de un impulso atmosfrico
3.1.1.2 Disturbios Oscilatorios
CARACTERSTICAS
Provoca variaciones de tensin y corriente. Sus valores instantneos cambian de polaridad rpidamente.
ORIGEN
Son causados por las modificaciones de la configuracin de un sistema, por ejemplo: maniobras en lneas de transmisin, enclavamiento de Bancos de Capacitares, etc.
EFECTOS Pueden causar la quema o dao en equipos electrnicos.
FIGURA 1.4 Disturbio Oscilatorio
-
11
Como posibles soluciones para mitigar estos
problemas se tiene: El uso de Sistemas de
Alimentacin Ininterrumpidas (SAI, conocido como
UPS, por sus siglas en ingls), Protectores
Electrnicos de SAGs (Filtros Activos),
Transformadores de Aislamiento y Acondicionadores
de Calidad de Energa Elctrica (Power Quality
Conditioners).
1.3.2 Efectos de Corta Duracin
Los efectos de corta duracin son eventos originados por
fallas en el sistema elctrico, y por la energizacin de grandes
bloques de carga. La duracin en que se presentan estos
eventos es de aproximadamente 0.5 ciclos a 1 min. Su
clasifican depende de la localizacin de la falla y las
condiciones de operacin del sistema, pudiendo ocasionar
tres tipos de efectos de Corta Duracin: [9]
Interrupciones,
Depresin de tensin (SAG), y,
Elevacin de Tensin (SWELL).
-
12
3.2.1.1 Interrupciones
CARACTERSTICAS
Presentan un decremento de la tensin de alimentacin a un valor menor que 0.1 p.u. por un periodo de 0.5 ciclos a 1 minuto.
ORIGEN
Puede ser el resultado de fallas en el sistema elctrico de los equipos o del mal funcionamiento de los sistemas de control.
EFECTOS Causan dao o mal funcionamiento de los equipos electrnicos.
FIGURA 1.5 Interrupcin
3.2.1.2 SAG de Tensin
Los SAGs de tensin, tambin conocidos como DIPs
de Tensin, son los disturbios elctricos ms
comunes.
-
13
CARACTERSTICAS
Son reducciones momentneas del valor eficaz de la Tensin de 0.1 a 0.9 p.u. con una duracin de 0.5 ciclos a 1 minuto.
ORIGEN
Por la entrada de grandes bloques de carga, al arranque de grandes motores o el encendido de calentadores elctricos.
EFECTOS
Pueden provocar la parada de equipos electro-electrnicos y la interrupcin de los procesos productivos.
Algunos elementos efectivos para minimizar los
problemas generados por estas reducciones sbitas
de tensin son los transformadores de aislamiento y
los UPSs.
FIGURA 1.6 Depresin de Tensin (SAG)
-
14
3.2.1.3 SWELL de Tensin
CARACTERSTICAS
Son pequeos incrementos del valor eficaz de la tensin en el orden de 1.1 a 1.8 p.u. con una duracin de 0.5 ciclos a 1 minuto.
ORIGEN
1. Estn asociados a condiciones de falla desequilibradas en el sistema
2. Salidas de grandes bloques de carga en circuitos con una regulacin de voltaje lenta o que carezcan de la misma.
3. Tambin causados por la entrada de Bancos de Capacitores y por el dao o prdida de las conexiones de neutro.
EFECTOS
Pueden causar: Degradacin y falla inmediata del aislamiento de equipos y fuentes electrnicas, trastornos en los controles y controladores de estado slido de motores (particularmente: Variadores de Velocidad), someter a esfuerzos dielctricos los componentes de computadoras, acortando su vida til.
Para minimizar los efectos adversos producidos por
este tipo de fenmenos utilizan supresores de
transitorios y UPSs, dimensionados mediante
-
15
mediciones en las instalaciones. A continuacin la
Figura 1.7 muestra la grfica de Voltaje Vs. Tiempo
en presencia de un SWELL.
FIGURA 1.7 Incremento de Tensin (SWELL)
1.3.3 Efectos de Larga Duracin
Son variaciones del valor eficaz de la tensin durante un
tiempo mayor a 1 minuto, se consideran disturbios de rgimen
permanente y se clasifican en: [9]
Interrupciones Sustentadas,
Sobretensiones,
Subtensiones, y,
Desequilibrio de Tensin.
-
16
3.3.1.1 Interrupciones Sustentadas
CARACTERSTICAS
Reduccin de la tensin de alimentacin al valor de cero por un periodo superior a 1 minuto.
ORIGEN
Puede ser el resultado de fallas en el sistema elctrico de los equipos. Perdida completa de la alimentacin.
EFECTOS Causan dao o mal funcionamiento de los equipos electrnicos.
De naturaleza permanente, requieren intervencin
manual para reestableciminiento de la energa
elctrica del sistema.
A continuacin grfica de Voltaje vs. Tiempo cuando
ocurre una interrupcin sustentada
FIGURA 1.8 Interrupcin sustentada
-
17
3.3.1.2 Sobretensiones
CARACTERSTICAS
Presentan un aumento del valor eficaz de la tensin de 1.1 a 1.2 p.u. durante un tiempo superior a 1 minuto.
ORIGEN
Se originan por la salida de grandes bloques de carga, entrada de Banco de Capacitores y ajuste incorrecto de los Taps de los Transformadores.
EFECTOS Operacin inadecuada y quema de equipos electrnicos sensibles.
A continuacin la grfica de Voltaje Vs. Tiempo en
presencia de una sobretensin de tensin.
FIGURA 1.9 Sobretensin
Para minimizar el efecto de estos problemas se utiliza
UPSs, Supresores de Tensin, Transformadores de
acoplamiento, entre otros.
-
18
3.3.1.3 Subtensiones
CARACTERSTICAS
Presentan una reduccin del valor eficaz de la tensin de 0.8 a 0.9 p.u. durante un tiempo superior a 1 minuto.
ORIGEN
Causados por la entrada de grandes cargas, salida de Bancos de Capacitores o por sobrecargas en los alimentadores.
EFECTOS
Aumento en las perdidas de los motores de induccin, parada en los dispositivos electrnicos y un mal funcionamiento en los sistemas de mando de motores.
FIGURA 1.10 Subtensin
3.3.1.4 Desequilibrio de tensin
Se define como la razn entre la componente de
secuencia negativa y la componente de secuencia
-
19
positiva. En el caso de la Tensin de Secuencia
Negativa, este se presenta por el desequilibrio de
carga en los sistemas de potencia.
Un desequilibrio de tensin puede ser estimado como
el mximo desvo de la media de las tensiones de las
tres fases dividido por la media de las tensiones y
expresado en forma de porcentaje. La causa
principal es la conexin de cargas monofsicas en
circuitos trifsicos; anomalas en bancos de
capacitores.
1.3.4 Secuenciales (Distorsin de la forma de onda)
La distorsin de la forma de onda corresponde a la
deformacin de su forma sinusoidal pura, y puede darse tanto
en la forma de onda de tensin como en la de corriente. Se
da en rgimen permanente y se conocen tres tipos:
Armnicos,
Notch, y,
Ruido.
-
20
1.3.4.1 Armnicos
CARACTERSTICAS
Deformacin de la onda de su caracterstica sinusoidal pura original por tensiones o corrientes de frecuencias mltiplas de la fundamental de alimentacin.
ORIGEN
Las cargas no lineales conectadas a la red son las principales causantes de armnicos, como por ejemplo: Rectificadores Monofsicos, Rectificadores Trifsicos (UPS, Drives, etc), Reguladores de Tensin, Hornos de Arco, Transformadores, entre otros.
EFECTOS
1. Fallo de interruptores automticos.
2. Operacin incorrecta de contactores y rels.
3. Interferencia en sistemas de comunicacin.
4. Reseteo de ordenadores y errores en PLCs.
5. Calentamiento/Destruccin de condensadores por sobretensin, cuya impedancia decrece proporcionalmente con el orden de los armnicos presentes.
6. Sobrecalentamiento/Averas en transformad.
7. Calentamiento de motores de induccin
8. Prdidas en cobre de conductores por efecto Skin: Efecto proporcional a la frecuencia, en CA la intensidad se acumula en
-
21
los extremos del cable reduciendo su seccin efectiva
9. Prdidas dielctricas en condensadores
10. Intensidades en conductores de neutro, incluso en redes equilibradas producido por los armnicos triples (3, 6, 9, 12, ...)
11. Errores de medicin de energa activa, reactiva y factor de potencia.
12. Lecturas errneas con multmetros basados en el valor medio o con poco ancho de banda.
13. La elevacin de slo 10C de la temperatura mxima del aislamiento de un conductor reduce a la mitad su vida til.
14. Un aumento del 10% de la tensin mxima del dielctrico de un condensador reduce a la mitad su vida til.
Esta perturbacin corresponde a una de las ms
frecuentes en la actualidad, por lo que es de nuestro
particular inters y se analizar con mayor detalle.
La Figura 1.12 muestra una onda sinusoidal
fundamental con su tercer y quinto armnicos, es
decir, para una frecuencia fundamental de 60 Hz, el
-
22
tercer armnico tendra 180 Hz y el quinto armnico
300 Hz. [6]
FIGURA 1.11 Grfica de Armnicos
El problema de presencia de armnicos en un
sistema requiere una consideracin especial, ya que
no se pueden sacar conclusiones tiles sin conocer el
espectro de las corrientes armnicas presentes, pero
dada la complejidad es comn usar como referencia
los valores correspondientes a la Distorsin Armnica
Total (THD).
Distorsin Armnica Total (THD): Es la relacin de las
armnicas con respecto a la fundamental que indica
la variacin que tiene la onda que se est midiendo
con respecto de la onda fundamental que se quiere,
-
23
es decir, proporciona cunto se ha "distorsionado" la
onda sinusoidal en el proceso. [7]
Se calcula la THD del Voltaje (en porcentaje):
100)%(1
50
2
2
U
UUTHD
n
nn
=
== (1.1)
Se calcula la THD de la Corriente (en porcentaje):
100)%(1
50
2
2
I
IITHD
n
nn
=
== (1.2)
Existen diversas medidas para reducir la presencia
de armnicos y sus efectos en un sistema, entre las
que estn:
Filtros Pasivos: Establecen un camino de baja
impedancia para las corrientes armnicas de forma
que circulen por el filtro y no por la fuente de
alimentacin.
Transformadores de separacin: separan los
armnicos triple-N de la fuente de alimentacin.
-
24
Filtros Activos: compensa la corriente armnica y slo
la corriente fundamental procede de la fuente de
alimentacin.
1.3.4.1 Notch (Muesca, Corte)
CARACTERSTICAS
Perturbacin de la forma de onda normal de tensin, dura menos de 0.5 ciclos y de polaridad opuesta (se substrae de la forma de onda).
ORIGEN
Causado por conmutadores electrnicos (convertidores, rectificadores), que durante la conmutacin provocan un cortocircuito entre fases, incitando un incremento de corriente y una disminucin del voltaje. Tambin es causado por acondicionadores de energa (UPS, estabilizadores de voltaje).
EFECTOS
Usualmente no suele ser un problema mayor, pero puede causar que equipos, especialmente electrnicos, operen incorrectamente provocando errores en el procesamiento y prdida de informacin.
A continuacin la grfica de Voltaje Vs. Tiempo
cuando es afectado por un Notch de tensin. [9]
-
25
FIGURA 1.12 Notch de tensin
1.3.4.2 Ruido
CARACTERSTICAS
Distorsin de alta frecuencia en la forma de onda, menor que 200 kHz, de baja intensidad, superpuesto a la corriente o tensin en los conductores de fase, o en los de neutro.
ORIGEN
Resulta de operaciones defectuosas, de equipos e instalaciones de componentes inadecuados en el sistema (soldadoras elctricas, etc.) tanto por las empresas suministradoras como por los usuarios, y por los aterrizamientos impropios.
EFECTOS
Frecuentemente pasa desapercibido, pero puede causar mal funcionamiento en equipos electrnicos, errores en la electrnica digital, corrupcin de datos, sobrecalentamiento, distorsin de seales y desgaste en general
-
26
FIGURA 1.13 Ruido en una Seal Tensin
Para efectuar mediciones se debe usar un buen
Analizador de Espectro con una banda lo
suficientemente amplia, de modo que permita
detectar niveles de ruido por encima de los ndices
aceptables y tomar acciones correctivas instalando
equipos tales como: Transformadores de Aislamiento,
Reguladores Ferro-Resonantes, UPS, entre otros. [8]
1.3.5 Fluctuaciones de Tensin
Las fluctuaciones de tensin, entre las que destaca el
Parpadeo (Flicker), constituyen uno de los mayores
problemas de regulacin de tensin en la industria.
-
27
Son variaciones sistemticas del perfil de la tensin o una
serie de variaciones aleatorias de la magnitud de la tensin,
las cuales exceden el lmite especificado de 0,95 a 1,05 [p.u.].
1.3.5.1 Flicker (Parpadeo)
CARACTERSTICAS
Variacin del valor eficaz o amplitud de la tensin en un rango menor al 10% del valor nominal. Ocurre en un rango de frecuencia de 0.5 a 25 Hz.
ORIGEN
Se originan cuando el valor de la potencia de Cortocircuito es menor que el de las cargas fluctuantes. Algunas de las grandes fuentes industriales de este tipo de fluctuacin son: Hornos de Arco, Soldadoras Elctricas, Motores con cargas alternativas y arranques mltiples, etc.
EFECTOS
Produce fluctuacin de flujo luminoso en lmparas, induciendo la impresin de inestabilidad en la sensacin visual. Pueden afectar el funcionamiento de equipos sensibles (sin llegar a daos irreparables), como lo son: Sistemas Digitales de Control, Electromedicina, PLC, Instrumentacin, etc.
La Figura 1.14 muestra la variacin del Voltaje en el
tiempo en presencia de un Flicker. [10]
-
28
FIGURA 1.14 Flicker
1.4 Compensadores de Calidad de Energa
Como se ha mencionado el incremento de la automatizacin en la
industria moderna ha cambiado los requerimientos de la Calidad de
Energa. Las computadoras, equipos de control de procesos y
convertidores son sensibles a las desviaciones de los voltajes de
lnea de su forma sinusoidal ideal, tales como los SAGs, Armnicos,
Flickers, e Interrupciones de Alimentacin.
En base a lo expuesto los equipos convencionales ya no son una
alternativa de solucin, debiendo introducirse al Mercado equipos
basados en convertidores PWM conectados en serie o paralelo,
almacenadores de energa, entre los que destacan:
-
29
Distribution Static Compensator (DSTATCOM)
Dynamic Voltage Restorer (DVR)
Uninterruptible Power Supply (UPS)
1.4.1 Distributed Static Compensator (DSTATCOM)
Consiste en un convertidor de voltaje/compensador conectado
en paralelo a la red de distribucin a travs de un
transformador de acoplamiento, lo que permite al dispositivo
absorber o generar potencia activa y reactiva de forma
controlada.
El DSTATCOM es utilizado mayormente para la regulacin de
voltaje (proteccin contra SAGs y SWELLs), correccin del
Factor de Potencia y eliminacin de Corrientes Armnicas.
Tambin protege el sistema de distribucin de los Flickers y
mitiga armnicos, inyectndo armnicos de corriente a la
cargas para que la corriente de lnea sea sinusoidal,
corrigiendo el desbalance en las corrientes de lnea. No
provee compensacin durante interrupciones completas de
potencia. [11]
-
30
FIGURA 1.15 Esquema de un DSTATCOM
FIGURA 1.16 Foto de un DSTATCOM de marca PureWave
1.4.2 Dynamic Voltage Restorer (DVR)
Consiste en un Convertidor de Voltaje/Compensador
conectador en serie a la red de distribucin a travs de un
-
31
transformador de acoplamiento. En general se lo usa para la
proteccin de cargas crticas y sensibles contra depresiones y
sobretensiones de voltaje de corta duracin (SAGs y
SWELLs), as como tambin para eliminar voltajes armnicos.
Se considera que entra en operacin nicamente durante
perodos de falla reaccionando de manera instantnea ante
SAGs y SWELLs de tensin. Al igual que el DSTATCOM no
provee compensacin durante interrupciones completas de
potencia.
FIGURA 1.17 Esquema de un DVR
En el caso del DVR, es posible construirlo para potencias
relativamente altas, ampliando su utilizacin a todas las
-
32
ramas de la industria, desde lneas de produccin y fbricas
enteras hasta incluso polgonos industriales. [11]
FIGURA 1.18 Foto de un DVR de marca PureWave
1.4.3 Uninterruptible Power Supply (UPS)
Se trata de un Convertidor de Voltaje que proporciona una
alimentacin continua para proteger cargas sensibles que se
alimentan de una sola fuente de energa, eliminando a su vez
casi todos los problemas relacionados con la Calidad de
Energa. [11]
-
33
FIGURA 1.19 UPS ON-LINE
FIGURA 1.20 Foto de un UPS de marca PureWave
1.4.4 Anlisis de aplicacin de los Compensadores
La adecuada seleccin del compensador se basa en:
Tipo de carga a proteger: Qu tan sensible es la carga y
su nivel de importancia dentro del proceso.
-
34
Problemas de Calidad de Energa presentes en el sistema:
No todos los compensadores fueron diseados para
resolver los mismos problemas
Inversin: Ciertos problemas de calidad de energa son
corregidos por ms de un compensador, por lo que la
eleccin est sujeta a los otros beneficios que trae el
equipo y que implican una mayor inversin.
La tabla 1.2 resume las correcciones que los compensadores
realizan a los diferentes problemas de calidad de energa:
TABLA 1.2 Comparacin de los Compensadores segn los problemas de
Calidad de Energa que corrigen.
-
CAPTULO 2
2. SISTEMA DE ALIMENTACIN ININTERRUMPIDA
(UPS).
Histricamente, los generadores de emergencia han sido la solucin
para proteger las cargas sensibles de la interrupcin del servicio
suministrador de energa. Sin embargo, en la actualidad, stos resultan
ineficientes ante equipos altamente sensibles que en presencia de una
interrupcin alteran su funcionamiento sin dar tiempo a que el generador
entre en operacin.
Ante este problema, se busc eliminar estos disturbios de las redes
elctricas y gracias al desarrollo de la Electrnica de Potencia se dise
e implement equipos compensadores de interrupciones de tensin
llamados Sistemas o Fuentes de Alimentacin Ininterrumpida (SAI -
UPS/Uninterruptable Power Supply).
-
36
2.1. Historia de los UPS
La produccin en masa de los UPS, como equipo para mitigar
problemas por calidad de energa, se dio por primera vez en el
Mercado en los aos 1970s, esencialmente para resolver la
necesidad de grandes sistemas computacionales, de modo que
garantizaran continuidad y calidad en la fuente de alimentacin
elctrica.
Eventualmente, y al comprobarse su funcionalidad, los modelos de
UPS fueron evolucionando para extender su utilizacin al gran
nmero de cargas altamente sensibles desarrolladas y a su
diversificacin dada en ese entonces, por la explosin de la
tecnologa digital. Como resultado, los UPS se modificaron hasta
satisfacer las necesidades de aplicaciones tan complejas como las
de las mini y micro computadoras, junto con otros dispositivos
electrnicos que, como parte de procesos industriales
automatizados, de instrumentacin y telecomunicaciones, no
toleran problemas de calidad de energa, tales como SWELLs,
SAGs e interrupciones. Estos dos ltimos, los de mayor
importancia, por la frecuencia con que se presentan (el 98% de los
problemas guardan relacin con los SAGs de Tensin e
-
37
interrupciones con una duracin de menos de 15 segundos). De
ah la importancia en la utilizacin de UPSs en casos en los que
inclusive se puede prescindir del uso de un generador de
emergencia.
Debido a la rapidez de cambio sufrido por el mercado la adaptacin
hizo necesaria una serie de innovaciones tecnolgicas y una
extensin de los rangos de potencia, por lo que el progreso se hizo
en ambas direcciones, hacia bajas y altas potencias, solucionando
las necesidades respectivas de los microordenadores y las
aplicaciones vitales de Sistemas de la Telecomunicacin Digital.
Esa es la razn por la que el trmino UPS comprende una gran
variedad de productos que abarcan desde unos pocos cientos
hasta varios mega Voltios-Amperios (VA). [12]
2.2. Definicin y Funcionamiento de un UPS
Los sistemas de Alimentacin Ininterrumpida (UPS) son
dispositivos compensadores de tensin gracias a una fuente DC
con la que pueden proporcionar energa AC a la red o a la carga.
La propuesta nace del estudio de convertidores de DC a AC,
-
38
donde se pens en utilizar el concepto de convertidores para
alimentar una lnea que presenta una falla de interrupcin de
tensin.
El funcionamiento de un UPS se divide en tres etapas principales:
BATERA: Almacenar energa mientras hay voltaje en la lnea
para en el evento de una prdida en la alimentacin poder
compensar la energa.
CONVERTIDOR DC-AC: Tambin llamado Inversor, cambia el
voltaje de la batera en un voltaje AC, el cual va a ser recibido
por la carga del sistema.
CONVERTIDOR AC-DC: Tambin llamado Rectificador, es el
responsable de la recarga de la batera.
FIGURA 2.1: Diagrama Bsico de un UPS
-
39
2.3. Topologas de los UPS
Durante el proceso de adaptacin y cambio, las tcnicas
empleadas para el desarrollo y mejora de los UPS se volvieron
muy diversas, dependiendo del tipo de proteccin a aplicar, lo
crtico de la carga y su nivel de potencia, diversificando su
identificacin en el mercado. De igual forma la descripcin
seleccionada para calificar los tipos de UPS se volvi confusa.
Por esta razn la IEC (International Electrotechnical Commission)
cre estndares para los diferentes tipos de UPS y los mtodos
usados para la medicin de su operacin, estabilizando su
clasificacin. Esta estabilizacin fue adoptada por el CENELEC
(European Standardization Committee), por lo que se crearon las
normas IEC 62040-3 y su equivalente europea ENV 50091-3, las
que claramente definen tres tipos de UPS: [12][13]
Pasivo Standby (OFF LINE)
Linea-Interactiva
Doble Conversin (ON LINE)
-
40
Una vez definida la identificacin apropiada de las diferentes
topologas de UPS se indica la naturaleza bsica de su diseo.
Los fabricantes producen modelos con diseos o topologas
similares, pero con caractersticas de desempeo muy diferentes,
entre los ms utilizados en la industria estn: Standby, Standby-
Ferro, Lnea Interactiva, Doble Conversin Online y Delta
Conversin Online.
2.3.1. UPS Standby
En 1980s, los tipos de cargas y los rangos de potencias
incrementaron substancialmente y se desarroll el UPS Off
Line, el trmino corresponde al contrario a On Line.
La topologa de este tipo de UPS se ilustra en la Figura 2.2
e incluye un filtro cuya funcin no est claramente definida,
y ocasionalmente se presenta como un regulador de voltaje.
Bsicamente consiste en un inversor conectado en paralelo
a la lnea de alimentacin AC, conformando as una
configuracin Pasiva - Stand by (no es continua), donde el
interruptor de transferencia est regulado para elegir entre la
entrada AC filtrada, la cual es la fuente de energa primaria
(dibujo en lnea slida), y la batera/inversor, siempre que la
-
41
fuente de energa primaria falle. Por definicin, el tiempo de
transferencia para la operacin del inversor es de
aproximadamente cinco milisegundos. Esto significa una
perdida de energa en su salida la cual se considera
insignificante para la mayora de las cargas, pero para
cargas crticas o sensibles esto es un tiempo
considerablemente largo, por lo que no se recomienda su
utilizacin en este tipo de cargas.
En conclusin este tipo de UPS provee un nivel de
proteccin bsico y elimina ciertos problemas de la red
elctrica con cierto grado de intensidad. Tpicamente estn
diseados para un rango de capacidades que oscila entre
los 300 VA a los 2000 VA. El UPS Standby es el ms
utilizado para Computadoras Personales.
FIGURA 2.2: Diagrama UPS STAND BY
-
42
2.3.2. UPS Stand By Ferro
Este diseo depende de un transformador de saturacin
especial conformado por tres devanados (conexiones de
energa). Su modo de operacin es similar al de Stand By
con la diferencia de que el transformador tiene una
capacidad especial Ferro-resonante, la cual provee
regulacin de voltaje limitado y una salida con un pequeo
rizado. [12][13]
Figura 2.3: UPS Standby-Ferro
2.3.3. UPS Lnea Interactiva
Los UPS de Lnea Interactiva tienen un modo de operacin
bastante similar a los Stand By con la diferencia de que
continuamente estn monitoreando el voltaje de la red
elctrica comercial y lo acondicionan de tal manera que la
-
43
carga recibe un voltaje regulado. Dicho acondicionamiento
no protege de todos los problemas que existen en la red
elctrica, por lo tanto, brinda un nivel intermedio de
proteccin (cercano al 85%).
El UPS de Lnea Interactiva, ilustrado en la figura 2.3,
muestra que el convertidor operando en su modo inversor,
siempre est conectado a la salida del UPS. Cuando el
servicio de energa falla o existe un problema por un voltaje
variante fuera del rango de tolerancia, el interruptor de
transferencia se abre y la energa fluye desde la batera a la
salida del UPS a travs del convertidor. El valor de la
transferencia o conmutacin es menor a los 5 ms.
Adems, el diseo de Lnea Interactiva usualmente
incorpora un regulador de voltaje, el cual puede ser una
tarjeta electrnica o un transformador con taps (tap-
changing), de modo que mientras el voltaje de la red
comercial va cambiando, los taps automticamente van
variando con el fin de regular el voltaje de salida ajustando
la corriente de salida a medida que el voltaje de entrada
vara. Esta tecnologa es sumamente importante, ya que
-
44
cuando existe una condicin de bajo voltaje a la entrada, el
UPS regula el voltaje y as se evita la transferencia a la
batera, prolongando su tiempo de vida, ya que su uso
frecuente podra causar fallas prematuras en la misma. De
todos modos, el convertidor tambin puede ser diseado de
manera tal que si falla la batera, permita el flujo de energa
de la entrada AC a la salida.
Como caractersticas principales del UPS Lnea Interactiva
tenemos: Alta eficiencia, pequeo tamao, bajo costo y alta
confiabilidad, junto con la habilidad de corregir condiciones
de voltaje de lneas bajas o altas. Es el tipo dominante de
UPS en rangos de energa de 500 VA a 5000 VA. Es el
diseo ms comnmente utilizado para pequeos negocios,
Web y servidores departamentales.
FIGURA 2.4: Diagrama UPS Lnea Interactiva
-
45
2.3.4. UPS de Doble Conversin Online
Este es el UPS ms utilizado sobre 10kVA, tambin llamado
On Line debido a que el Inversor se encuentra dentro de la
lnea principal de energa operando en todo momento. El
diagrama de bloques de este tipo se ilustra en la Figura 2.5
y es muy similar al de standby, excepto que el paso de la
energa primaria es a travs del convertidor. Esta
tecnologa es la ms cara de todas por ser la que ofrece el
mayor nivel de proteccin.
FIGURA 2.5: Diagrama UPS Doble Conversin Online
Una caracterstica importante de esta topologa es la doble
conversin, la cual consiste en convertir la energa de
-
46
entrada alterna en corriente directa y posteriormente en
corriente alterna. De esta manera se logra recargar el
banco de bateras a la vez que se eliminan la gran mayora
de disturbios encontrados en la lnea elctrica comercial,
disponiendo as de una salida sinusoidal pura y limpia.
En este diseo, una falla en la entrada AC no activa el
interruptor de transferencia debido a que est cargando la
batera constantemente, de modo que pueda proveer de
energa al convertidor de salida. Es importante resaltar que
los UPS On Line no presentan cadas de voltaje o tiempos
de transferencia asociada con la transferencia del inversor.
Solo en caso de falla o mantenimiento el UPS transfiere la
carga a la lnea comercial (Bypass).
La etapa rectificadora que carga la batera y la inversora que
alimenta la carga total, reducen la eficiencia del convertidor
y aumentan la generacin de calor asociado y, debido al
constante funcionamiento de todos los componentes de
energa se reduce la confiabilidad en relacin a los otros
diseos. La energa consumida es una parte significativa
del costo del ciclo de vida del UPS.
-
47
El UPS On Line se presenta como la mejor alternativa en
cuanto a calidad de equipo porque la carga siempre est
siendo alimentada por el Inversor, estabilizando el voltaje
permanentemente, la frecuencia tambin permanece estable
y la forma de onda es sinusoidal. Por lo anteriormente
expuesto esta tecnologa es apropiada para un gran
nmero de computadoras, grupos de servidores, sistemas
automatizados y aplicaciones estratgicas e industriales.
Estos UPS se disean en un rango de capacidades de 700
VA hasta 4.5 MVA.
2.3.5. UPS Delta Conversin Online
ste UPS, es uno de los ms modernos y fue introducido
para eliminar los inconvenientes del diseo de Doble
Conversin On-Line y est disponible en rangos desde
5kVA a 1,6MVA. Opera de forma similar al diseo de Doble
Conversin On Line, con el convertidor suministrando voltaje
a la carga todo el tiempo con el distintivo de aportar energa
al convertidor de salida, aumentando la eficiencia.
-
48
FIGURA 2.6: Diagrama UPS Delta Conversin Online
2.3.6. Aplicaciones de las Topologas
La eleccin de un modelo de topologa especfica de UPS
para determinada aplicacin depender de las
caractersticas de cada uno. Como atributos principales de
las topologas de UPS podramos citar: la eficiencia, la
calidad de implementacin y fabricacin, los rangos de
operacin, y los atributos de diseo. A continuacin una
tabla que resume los atributos Vs. Las topologas.
TABLA 2.1: Tabla comparativa de los atributos de diseo Vs. topologas
de los UPS
-
49
La seleccin del UPS adecuado est sujeta a sus atributos y
principalmente al tipo de carga que se desea proteger, para
lo cual se presenta a continuacin una tabla que resume las
posibles aplicaciones.
TABLA 2.2: Aplicaciones de las Topologas de UPS
2.3.6.1. Ventajas y Desventajas
TABLA 2.3: Ventajas y desventajas del UPS Stand By
-
50
TABLA 2.4: Ventajas y desventajas del UPS Lnea
Interactiva
TABLA 2.5: Ventajas y desventajas del UPS Doble
Conversin
La comparacin entre las tres topologas principales
muestra que el de Doble Conversin ofrece muchas
ms ventajas debido principalmente a la posicin
del UPS conectado en serie con la carga. Adems,
este modelo no tiene mayores desventajas, salvo su
elevado costo, el que no es comparable con la
cantidad de beneficios que ofrece, volvindose
indispensable para cargas cuya naturaleza es
-
51
crtica. Por lo anteriormente expuesto los tres tipos
de UPS se emplean a bajas potencias (menores a
2KVA), sin embargo para potencias mayores se
recomienda el uso del de Doble Conversin.
Entre las ventajas y desventajas que tienen las
diferentes topologas se encuentran tambin los
problemas de Calidad de Energa que mitigan. A
continuacin las grficas porcentuales de los
principales problemas en la red elctrica y la
efectividad de cada una de las topologas ante los
mismos.
FIGURA 2.7: Efectividad vs. Frecuencia de Problemas de
Calidad de Energa UPS Stand By
Los porcentajes de la Fig. 2.7 corresponden a
valores promedio, ya que la ventana de proteccin
de esta topologa contra los problemas elctricos de
-
52
la red oscila entre el 60 70 % dependiendo del
modelo y fabricante.
.
FIGURA 2.8: Efectividad vs. Frecuencia de Problemas de
Calidad de Energa UPS Lnea Interactiva
Los porcentajes de la Fig. 2.8 corresponden a
valores promedio, ya que la ventana de proteccin
de esta topologa contra los problemas elctricos de
la red oscila entre el 80 85 % dependiendo del
modelo y fabricante. [14]
FIGURA 2.9: Efectividad vs. Frecuencia de Problemas de
Calidad de Energa UPS Doble Conversin
-
53
2.4. Seleccin de la Topologa a utilizar
Una vez explicadas todos los tipos de Topologas, sus
caractersticas, ventajas y desventajas; las diferencias son
notables, por lo que es importante su consideracin al momento de
seleccionar un modelo. Por lo tanto, existen diversos factores que
de acuerdo a su importancia se deben tomar en cuenta al
momento de la seleccin de una topologa en especial. En orden
de importancia:
1. Naturaleza de la carga y consumo: Qu tan sensible es la carga
y qu tan crtica es la continuidad de su funcionamiento.
2. Los problemas a mitigar: Qu problemas de calidad de Energa
se presentan en la red.
3. Costo: Cunto se est dispuesto a invertir para solucionar el
problema.
2.5. UPS Lnea Interactiva
Para este proyecto se ha escogido para su diseo un UPS de
configuracin de Lnea Interactiva.
-
54
2.5.1. Principio de Funcionamiento
En el literal 2.3.3 se estudio la topologa del UPS de Lnea
Interactiva, revisando sus caractersticas principales y sus
componentes. Su modo de operacin se divide en tres
etapas principales de funcionamiento: [15]
ETAPA 1: Operacin Fuera de Lnea
FIGURA 2.10 UPS Lnea Interactiva Operacin Normal
ETAPA 2: Operacin en presencia de Fallas (Interrupciones)
FIGURA 2.11. UPS Lnea Interactiva Operacin en Falla
-
55
La alimentacin a la carga llega a travs del convertidor
transfiriendo la energa de la batera. Para esto el
convertidor opera en MODO INVERSOR (DC / AC).
ETAPA 3: Recarga de la Batera
FIGURA 2.12: UPS Lnea Interactiva Recarga de Batera
La alimentacin a la carga llega directo de la red comercial,
y a su vez se recarga la batera a travs del convertidor
operando en MODO RECTIFICADOR (AC / DC).
La ETAPA 2 vara de acuerdo al diseo de control para la
regulacin de voltaje. De modo que en presencia de un
SAG o SWELL de tensin el convertidor se encarga de su
debida compensacin usando los dos modos de operacin.
-
56
Se debe resaltar que este tipo de UPS presenta las
siguientes caractersticas:
Monitoreo y acondicionamiento continuo del voltaje de la
red elctrica comercial, regulando la alimentacin de la
carga.
Corrige del 80 al 85% de los problemas existentes de
Calidad de Energa: Sags y Swells de tensin,
Transientes e Interrupciones. (Figura 2.8).
Tiempo de Conmutacin menor a 5ms
Rangos de operacin de 500VA hasta 5000VA
2.5.2. Ventajas y Desventajas
Las ventajas y desventajas de esta topologa se resumen en
la tabla 2.4 y en la Figura 2.7, por lo que para este punto
realizaremos un anlisis comparativo entre el UPS de Lnea
Interactiva y el de Doble Conversin, por ser este ltimo el
de mayor eficiencia en la compensacin de problemas de
calidad de energa: [13]
-
57
TABLA 2.6: Diferencias UPS Lnea Interactiva y Doble Conversin
2.5.3. Etapas de Operacin
Como se ha mencionado en los prrafos precedentes, el
UPS de Lnea Interactiva basa su funcionamiento en un
Convertidor que opera en dos etapas:
MODO INVERSOR (Figura 2.11)
MODO RECTIFICADOR (Figura 2.12)
2.5.3.1. Etapa Inversora
El principal propsito de sta etapa es la de proveer
un voltaje de salida AC a partir de una fuente de
poder DC. En esta etapa la amplitud, fase y
frecuencia deben ser controlables, con el fin de
-
58
obtener una adecuada tensin de salida AC para
alimentar la carga que se proteger.
La figura 2.13 muestra la estructura bsica de cada
uno de los componentes que conforman la etapa
inversora:
Fuente DC: Formado por bancos de Bateras,
puede estar acompaada de capacitores para
filtrar la seal.
Interruptores Estticos (Compuertas): Tenemos
varias opciones segn su velocidad de
conmutacin y potencia. Entre ellos tenemos a
los SCR, GTO, IGBT y MOSFET.
Carga
FIGURA 2.13. Estructura Inversor
-
59
Segn se definan los disparos para el control de
encendido y apagado de los Interruptores, stos
operarn de tal forma que generen a la salida un
voltaje AC regulado tanto como el diseo lo permita.
FIGURA 2.14. Salida del Inversor
En la Figura 2.14 se muestra el Voltaje Vab
generado por el Inverter a partir de una seal PWM
que comande la conmutacin de los Interruptores.
2.5.3.2. Etapa Rectificadora
Como se mencion antes el convertidor puede
funcionar tanto como Inversor o Rectificador, lo que
los diferencia es el control para la conmutacin de los
Interruptores, siendo el propsito de esta etapa el
convertir una Seal AC a una DC para recargar la
Batera.
-
60
La Fig. 2.15 muestra un Rectificador, donde la
estructura es la misma, cambiando solamente el
sentido de la corriente y la Fig. 2.16 muestra la seal
de voltaje Rectificada.
FIGURA 2.15. Estructura Rectificador
El estudio de ambas etapas se profundizara en el
Capitulo 3.
2.5.4. Caractersticas de la Batera
Para este proyecto se utilizar un banco de bateras de
plomo recargables, hermticamente selladas para evitar
derramamientos de cidos, y que pueden operar corrientes
en ambas direcciones.
-
61
Las caractersticas de la batera se pueden revisar en el
anexo C, a continuacin mencionaremos las ms
importantes: (ANEXO C)
Voltaje Nominal: 12VDC (6 celdas en serie)
Capacidad Nominal: 7 Amp. Horas
Resistencia Interna:
-
CAPTULO 3
3. PRINCIPIOS DE CONVERTIDORES PWM
3.1 Convertidores DC-DC
Los convertidores DC-DC son ampliamente usados en fuentes de
voltaje DC regulado por conmutacin y en control de velocidad de
motores DC. La principal funcin de los convertidores DC - DC es la de
convertir un voltaje de entrada DC no regulado en voltaje de salida con
un nivel deseado.[1]
El voltaje de salida en un convertidor DC - DC es generalmente
controlado a travs de la conmutacin de un switch (interruptor), como
el que se muestra en la Fig. 3.1.
-
63
FIGURA 3.1 Esquema Convertidor DC-DC Bsico.
La regulacin del voltaje de salida promedio en un convertidor DC-DC
se muestra en la Fig. 3.2 y est en funcin de:
Tiempo de Encendido del Switch (ton),
Ancho de Pulso, y,
Frecuencia de Switcheo (fs).
FIGURA 3.2 Forma de onda de un convertidor DC-DC.
-
64
3.1.1 Reductor (Buck)
El convertidor Buck o Reductor regula el voltaje de salida
promedio a un nivel menor que el voltaje de entrada o de la
fuente, a travs de una conmutacin controlada. [1]
Es comnmente usado en fuentes de poder DC regulado, como
en las computadoras y equipos de instrumentacin.
El nivel de voltaje de salida promedio se vara ajustando el
tiempo de conmutacin entre sus dos posiciones, lo que en
trminos de ciclo de trabajo y voltaje de entrada, sera:
io DVV = (3.1)
:OV Voltaje de Salida
:D Ciclo de Trabajo
:iV Voltaje de Entrada
-
65
FIGURA 3.3 Convertidor Buck o Reductor.
3.1.2 Elevador (Boost)
Un convertidor Boost regula el voltaje de salida promedio a un
nivel ms alto que el voltaje de entrada o de la fuente. [2]
El voltaje DC de entrada esta en serie con un inductor el cual
acta como fuente de corriente. Un switch en paralelo con la
fuente de corriente y con la salida, es desconectado
peridicamente, suministrando energa desde el inductor y la
fuente logrando el incremento de su voltaje de salida promedio.
A continuacin el esquema bsico del convertidor Boost o
Elevador.
-
66
FIGURA 3.4 Convertidor Boost o Elevador.
Al igual que el convertidor Buck, la elevacin del nivel de voltaje
de salida se logra ajustando el tiempo de conmutacin, lo que en
trminos de ciclo de trabajo y voltaje de entrada dada la nueva
disposicin de los elementos sera:
io VDV
)1(1
-= (3.2)
:OV Voltaje de Salida
:D Ciclo de Trabajo
:iV Voltaje de Entrada
-
67
3.1.3 Modelos
En el estudio de la Electrnica de Potencia son necesarios
diferentes tipos de anlisis para entender el comportamiento de
una seal, existiendo para cada tipo un cierto grado en que
resulta apropiado representar, mediante una simulacin, los
componentes y el controlador de un circuito. Existen diferentes
modelos debindose siempre verificar los resultados con
prototipos de laboratorio y se clasifican en:
Modelos de gran seal
Modelos de pequea seal
3.1.3.1 De gran seal
Los modelos de gran seal se refieren a las ecuaciones
y sus respectivos circuitos equivalentes (si es que los
hay), que reflejan los valores instantneos de las
seales de inters, y permiten entender mejor el
funcionamiento del circuito.
-
68
FIGURA 3.5 Diagrama de Gran Seal del Buck
DVV
DVvV
in
o
incpo
=
==
FIGURA 3.6 Ecuaciones del Convertidor Buck Gran Seal
3.1.3.2 De pequea Seal
El modelo de pequea seal no es otra cosa que la
linealizacin de los modelos de gran seal para poder
analizar las pequeas variaciones de las seales de
inters en el entorno de un punto de operacin. Si el
modelo resultante tiene varias variables de entrada
(perturbaciones), stas se analizan una a la vez fijando
las otras a cero, para poder obtener el efecto de esta
variacin en una variable de salida de inters. A partir de
-
69
este anlisis se pueden obtener las funciones de
transferencia necesarias para disear el control de lazo
cerrado. El mismo concepto se aplica para
convertidores trifsicos. Si no es necesario se pueden
obviar los circuitos equivalentes y trabajar directamente
con las ecuaciones.
FIGURA 3.7 Circuito equivalente Pequea Seal
FIGURA 3.8 Diagrama de Pequea Seal del Buck
-
70
( )
++
++
+=
D
D+D=D
D+D=D
L
ESRESR
L
ESRino
cpcpvp
vpvpcp
RR
LCsCRRLs
sCRVdv
dIiDi
dVvDv
11
1
2
FIGURA 3.9 Ecuaciones del Convertidor Buck Pequea Seal
3.2 Convertidores Trifsicos
Se puede considerar a un convertidor trifsico como la unin de tres
convertidores DC-DC con seales de referencias (moduladoras)
alternas con un nivel DC. La diferencia entre los voltajes de salida
resulta puramente alterna. Existen diferentes tcnicas de conversin
siendo de particular inters la de PWM (Modulacin por Ancho de
Pulso) por permitir la operacin a frecuencia constante y variable. [1]
3.2.1 Inversores PWM
Los Convertidores de DC AC se denominan Inversores y su
funcin es cambiar un voltaje de entrada DC a un voltaje trifsico
de salida AC, con una magnitud y frecuencia deseadas.
-
71
El voltaje de salida puede ser fijo o variable, a una frecuencia fija
o variable. Un voltaje variable de salida se puede obtener
haciendo variar el voltaje de entrada DC y manteniendo
constante la ganancia del inversor; o, con un voltaje DC de
entrada fijo, no controlable, pero haciendo variar la ganancia del
inversor, lo que se consigue normalmente con modulacin de
ancho de pulso.
DCENTRADA
ACSALIDA
VV
GANANCIA_
_= (3.3)
Con la disponibilidad de dispositivos semiconductores de
potencia de alta velocidad, se pueden minimizar los contenidos
de armnicos del voltaje de salida, o al menos reducirlos de
forma importante, mediante tcnicas de conmutacin.
En aplicaciones de grandes potencias se puede conectar tres
puentes inversores monofsicos para formar la configuracin de
un inversor trifsico, siempre que las seales de control de los
-
72
inversores monofsicos estn separados 120 entre s, para
obtener voltajes fundamentales trifsicos balanceados.
Tambin se puede obtener una salida trifsica con una
configuracin de seis transistores y seis diodos.
FIGURA 3.10 Inversor Trifsico 6 Transistores y 6 Diodos.
En el Inversor PWM, se hace una Modulacin Sinusoidal por
Ancho de Pulso (SPWM), variando el ancho de cada pulso en
proporcin a la comparacin entre una seal sinusoidal de
referencia con una onda portadora triangular de frecuencia fc.
A la salida del convertidor se encuentra un Filtro Inductivo que
filtrar la seal de corriente que va a la carga. [1]
-
73
FIGURA 3.11 a) Modulacin SPWM, b) Voltaje Modulado A, c) Voltaje
Modulado B, d) Voltaje Modulado C, e) Voltaje Vab, f) Voltaje Vbc, g) Voltaje Vca.
-
74
3.2.2 Rectificador PWM
Los Convertidores de AC DC se denominan Rectificadores y su
funcin es cambiar un voltaje de entrada AC Trifsico a un voltaje
DC.
El convertidor genera un voltaje cuya fundamental corresponde a
una sinusoidal que atrasa al voltaje de la lnea a un determinado
ngulo, que puede ser controlado, manteniendo as el voltaje DC
al nivel deseado.
La corriente es filtrada por el inductor, mientras que el voltaje de
la lnea no necesita ser filtrado, pues es independiente de la
corriente. [1]
Los rectificadores PWM tienen las siguientes ventajas:
1. Tanto el voltaje como la corriente pueden ser modulados (a
travs de modulacin de ancho de pulso PWM), generando
menos armnicos en el sistema.
-
75
2. Se puede controlar el Factor de Potencia.
3. Se puede disear rectificadores tanto con Fuente de Voltaje o
Corriente.
4. El factor de potencia se puede invertir invirtiendo la corriente
en el enlace DC.
FIGURA 3.12 Rectificador con Modulacin PWM.
3.2.3 Modulacin Sinusoidal
La Modulacin Sinusoidal por Ancho de Pulso (SPWM), es la
tcnica de modulacin mas utilizada a nivel industrial en la
actualidad. Para este anlisis se lo aplicar al circuito descrito en
la figura 3.10
-
76
En esta tcnica el ancho de los pulsos se vara de acuerdo a la
proporcin resultante de la comparacin de las onda sinusoidales
( rav , rbv , rcv ) con una onda triangular de alta frecuencia. Se
definen entonces, las seales sinusoidales como de referencia,
con una frecuencia fr, y, la seal triangular como la portadora,
con una frecuencia fc. La relacin entre ambas frecuencias debe
ser:
rc ff >> (3.4)
FIGURA 3.13 Comparacin entre la Portadora y la Referencia
Y adems, dicha relacin debe ser siempre impar y mltiplo de
tres, de modo que se garantice que los voltajes de fase
generados (VaN, VbN y VcN), que son los que controlan la
conmutacin, sean idnticos en todo momento, desfasados 120
entre s y libres de armnicos pares; es ms, de este modo las
corrientes armnicas mltiplos de tres estn en fase y se pueden
eliminar fcilmente utilizando una conexin en Y de la carga, con
-
77
lo que se logra que la Distorsin Armnica Total disminuya,
consiguiendo por ende una onda sinusoidal menos deformada y
uniforme en todas las fases.
FIGURA 3.14 Voltajes Modulados Generados (VaN, VbN y VcN)
La frecuencia fr ser la que determine la frecuencia de la seal
de salida del inversor (fo), y su amplitud pico Ar es la que, por
definicin, controla el ndice de modulacin M. [3]
10
-
78
Donde:
cA : Amplitud pico de la seal portadora
rA : Amplitud pico de la seal referencia
sV : Voltaje DC de entrada
oV : Voltaje Pico de Salida Inversor
M : ndice de Modulacin
VOLTAJES DE LINEA A NEUTRO
( ) ( )tMVtVV osooaN ww coscos == (3.6)
( ) ( )32cos32cos pwpw -=-= tMVtVV osoobN (3.7)
( ) ( )32cos32cos pwpw +=+= tMVtVV osoocN (3.8)
VOLTAJES DE LINEA A LINEA
+=-=
6cos3 pw tVMVVV osbNaNab (3.9)
-=-=
2cos3 pw tVMVVV oscNbNbc (3.10)
+=-=
65cos3 pw tVMVVV osaNcNca (3.11)
-
79
3.2.4 Modelos
El modelo a implementar se basa en un UPS de Lnea Interactiva
descrito de forma unifilar en el esquema a continuacin.
FIGURA 3.15 Unifilar de un UPS Lnea Interactiva
Las partes que componen el sistema del UPS son las siguientes:
La Fuente DC: Banco de Bateras
Convertidor Trifsico: Conformado por un Modulo de IGBTs
Filtro Pasivo: Inductor Capacitor (Filtro Pasa Bajos)
Fuente de Alimentacin AC: Red Trifsica
Carga: Banco de Resistencias
-
80
FIGURA 3.16 Esquema Electrnico de un UPS Lnea Interactiva
Para la modelacin del UPS en modo rectificador no se
considerar el banco de capacitores ni la carga, por estar en
paralelo con la fuente AC.
FIGURA 3.17 Esquema Electrnico del UPS MODO RECTIFICADOR
-
81
Segn el diagrama, las variables en el dominio del tiempo se
definirn:
SEALES TRIFASICAS
=
Sc
Sb
Sa
S
VVV
V (3.12)
=
MODc
MODb
MODa
MOD
VVV
V (3.13)
=
MODc
MODb
MODa
MOD
III
I (3.14)
De donde se obtiene:
SMODMOD
MOD VIRtILV ++
= (3.15)
Para el anlisis y la modelacin de las ecuaciones se debe
trasformar el Sistema Trifsico conocido, de referencia Esttica
(a-b-c), a uno de Dos Fases Ortogonales Rotacional (d-q). Para
este propsito utilizaremos la trasformada de Park.
-
82
( )
( )
--
---
-
-
=
34sin
32sinsin
34cos
32coscos
32
pw
pww
pw
pww
ttt
tttT (3.16)
( )
( )
--
---
-
-
=
c
b
a
q
d
xxx
ttt
ttt
xx
34sin
32sinsin
34cos
32coscos
pw
pww
pw
pww
(3.17)
Luego aplicamos la Trasformada de Park a la ecuacin 3.17.
SMODMOD
MOD VTIRTtILTVT ++
= (3.18)
Vectorialmente:
+
+
=
Sc
Sb
Sa
MODc
MODb
MODa
MODc
MODb
MODa
MODc
MODb
MODa
VVV
TIII
RTIII
tLT
VVV
T (3.19)
Para la obtencin del modelo utilizaremos el mtodo matemtico
de derivadas parciales que nos proporcione el trmino t
IT MOD
-
83
( ) ( ) ( ) MODMODMOD ITtItTITt
+
=
(3.20)
( ) ( ) ( ) MODMODMOD ITtITtItT
-
= (3.21)
Donde:
( ) ( ) MODqMOD
dMODMOD ITtI
It
It
T
-
= (3.22)
Derivando la Matriz de la Transformada de Park de la ecuacin
3.21 obtenemos
( )( )
( )
--
---
--
---
=
34cos
32coscos
34sin
32sinsin
32
pww
pwwww
pww
pwwww
ttt
tttT
t (3.23)
Donde: ( )
-
=
dMOD
qMODMOD I
IIT
tw (3.24)
Reemplazando: ( )
-
-
=
dMOD
qMOD
qMOD
dMODMOD I
III
tI
tT w (3..25)
Desarrollando la ecuacin 3.22
-
84
+
+
-
-
=
qS
dS
qMOD
dMOD
dMOD
qMOD
qMOD
dMOD
qMOD
dMOD
VV
II
RI
IL
II
tL
VV
w (3.26)
Separando las ecuaciones en sus dos fases tenemos:
( ) qMODdSdMODdMODdMOD LIVRIItLV w-++
= (3.27)
( ) dMODqSqMODqMODqMOD LIVRIItLV w+++
= (3.28)
Se asume que SdS VV = y que 0=qSV porque se toma como
referencia al voltaje de la fuente, entonces:
( ) qMODSdMODdMODdMOD LIVRIItLV w-++
= (3.29)
( ) dMODqMODqMODqMOD LIRIItLV w+++
= 0 (3.30)
Por medio de un desacoplamiento en el compensador, como se
mostrara en el modelo final, y para simplificar el modelo, se
obvian los trminos qMODLIw- y dMODLIw . Aplicando la
Transformada de Laplace se obtiene:
-
85
dMODdMODdMOD RIsLIV += (3.31)
Despejando:
LRs
LVI
dMOD
dMOD
+=
1
(3.32)
De igual forma con la Ec. 3.30:
LRs
LVI
qMOD
qMOD
+=
1
(3.33)
De la parte correspondiente a la Fuente DC, se especifican las
siguientes ecuaciones de Potencia Activa:
MODDC PP = (3.34)
SRDC PPP += (3.35)
Considerando que la Potencia consumida por la Resistencia (PR)
es despreciable en comparacin con la Potencia de la
Alimentacin Trifsica (PS), la asumiremos como cero.
SDC PP = (3.36)
( )qMODqSdMODdSDCDC IVIVIV + 23 (3.37)
-
86
Y de acuerdo a lo previamente definido por el desfase de 0,
quedara:
dMODSDCDC IVIV 23
(3.38)
Por lo tanto las relaciones entre Voltajes y Corrientes, estaran
descritas en la siguiente ecuacin:
S
DC
DC
dMOD
VV
II
32
(3.39)
3.2.5 Controlador
Para la realizacin de todo control lo primero que se realiza es la
adecuacin de las variables a controlar. Para este caso esta
variables tienen un comportamiento sinusoidal por lo cual nos
valemos de las diferentes transformadas conocidas para obtener
comportamientos DC que simplifican el diseo del control.
-
87
3.2.5.1 Transformada de Park
Las transformaciones matemticas se usan
frecuentemente para separar variables, facilitando la
resolucin de ecuaciones complejas que estn en
funcin del tiempo. Para la realizacin del control se
debe transformar un sistema coordenado trifsico
balanceado estacionario (abc) en uno de dos
coordenadas ortogonales rotativo (dq). Con este objeto
se utilizar dos transformaciones denominadas: [17][18]
Transformada de Clark
Transformada de Park
La funcin de la transformada de Clark permite convertir
un Sistema Trifsico Estacionario Equiespaciado a un
Sistema Ortogonal gba ,, tambin estacionario, donde
0=g , por lo que realmente se trata de un sistema de
dos coordenadas.
-
88
FIGURA 3.18 Trasformada de Clark
Las ecuaciones que definen la transformada son:
-
--=
c
b
a
VVV
23
230
21
211
32
ba
(3.40)
La funcin de la Transformada de Park es convertir el
sistema de dos Coordenadas Ortogonales estacionarias
a un sistema rotativo (dq) con una velocidad angular w
( ) ( )qbqa sincos +=dV (3.41)
( ) ( )qbqa cossin +-=qV (3.42)
-
89
FIGURA 3.19 Trasformada de Park
Es de inters para este estudio la Inversa de la
Transformacin de Park, dada por las ecuaciones:
0)cos()sin( VtVqtVdVa ++= ww (3.43)
( ) ( ) 032cos32sin VtVqtVdVb +-+-= pwpw (3.44)
( ) ( ) 032cos32sin VtVqtVdVc ++++= pwpw (3.45)
3.2.5.2 Controladores PI
Los controladores continuos se utilizan en controles de
lazo cerrado. Existen distintos tipos de controladores
continuos; los principales son los tipos:
-
90
Proporcional (P)
Proporcional Integral (PI)
Proporcional Integral Derivativo (PID)
Los tipos de controladores se diferencian entre s segn
su dinmica, es decir, en la rapidez con la que llevan el
valor real hasta el valor de referencia en funcin del nivel
de desviacin del control.
La accin de un controlador Proporcional Integral,
como su nombre lo indica consta de dos partes
fundamentales:
La parte proporcional, correspondiente al producto
entre la seal de error (Diferencia entre Referencia y
Salida) y la constante proporcional pK , seleccionada
para que haga la calibracin del error de estado
estable. La parte Proporcional no considera el
tiempo por lo que es necesario combinarla con las
componentes integral y/o derivativas
-
91
La parte integral, esta en funcin del tiempo y busca
disminuir y eliminar el error de estado estable, en
muchos casos incrementado por la constante
proporcional. Su operacin consiste en promediar el
error durante un tiempo determinado y luego
multiplicarlo por la constante integral iK para
finalmente en combinacin con la parte proporcional
obtener una respuesta estable en el sistema. [16]
FIGURA 3.20 Diagrama de Bloques de un Control PI
3.2.5.3 Circuito PLL
Un circuito PLL (Phase Locked Loop) es un sistema
realimentado cuyo objetivo principal consiste en la
generacin de una seal de salida de amplitud fija; y,
frecuencia y fase coincidente con la de la entrada.
-
92
Comprende tres etapas fundamentales:
Detector de fase: Suministra una salida que depende
del desfase entre las seales de entrada y de salida.
Y alimenta el filtro Pasa Bajos con la diferencia entre
sus frecuencias.
Filtro Pasa-Bajo: Cumple con su funcin de filtrar
frecuencias bajas proporcionando a la salida un
voltaje en base a la diferencia de frecuencias de la
etapa anterior.
Oscilador Controlado por Tensin: Genera la tensin
de salida ( oV ), con frecuencia dependiente del voltaje
de salida del Filtro.
FIGURA 3.21 Diagrama de un Control PLL
-
93
La operacin del PLL se da en dos pasos. El primero
consiste en sincronizar las frecuencias de las seales de
Entrada y Salida. Como el Voltaje de salida est en
funcin del Voltaje del Filtro, el que a su vez depende del
desfase s-o, una vez que la sincronizacin se ha
conseguido y dado que la realimentacin impone que en
rgimen permanente, las seales de entrada y salida
tengan un desfase dependiente de la desviacin de
frecuencia, se da el segundo paso, que consiste en
eliminar el desfase. [19]
3.3 Diseo del Convertidor Trifsico para un UPS Lnea Interactiva
De acuerdo a las caractersticas descritas en al captulo anterior del
UPS a disear, se seleccion como Convertidor Trifsico para la
implementacin, un modulo conformado por seis IGBT.