CENTRO NACIONAL DE INVESTIGACIÓN Y DESARROLLO TECNOLÓGICO. cenidet ANÁLISIS DE ESTRATEGIAS DE PUESTA EN PARALELO DE CONVERTIDORES CD-CA

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1 S.E.P. S.E.I.T. D.G.I.T. CENTRO NACIONAL DE INVESTIGACIÓN Y DESARROLLO TECNOLÓGICO cenidet ANÁLISIS DE ESTRATEGIAS DE PUESTA EN PARALELO DE CONVERTIDORES CD-CA T E S I S QUE PARA OBTENER EL GRADO DE : MAESTRO EN CIENCIAS EN INGENIERÍA ELECTRÓNICA P R E S E N T A : J O S É P A B L O M E N D O Z A P É R E Z DIRECTORES DE TESIS: DR. RODOLFO ARTURO ECHAVARRÍA SOLIS DR. JAIME EUGENIO ARAU ROFFIEL CUERNAVACA, MORELOS MAYO DE 2005

2 TABLA DE CONTENIDO CAPÍTULO 1 INTRODUCCIÓN 1.1 Antecedentes Sistemas de alimentación ininterrumpibles SAI única SAI sin derivación SAI con un rectificador común para el inversor y la batería SAI con carga de batería por separado SAI con salidas de CD y CA SAI con derivación conversión doble Operación interactiva en línea Operación en espera pasiva SAI en paralelo SAI en paralelo sin derivación SAI en paralelo con derivación SAI redundante SAI en espera redundante SAI en espera redundante sin derivación SAI en espera redundante con derivación SAI redundante en paralelo SAI redundante en paralelo sin derivación SAI redundante en paralelo con derivación Estructura modular en paralelo Revisión de estrategias de puesta en paralelo de convertidores CD-CA Hipótesis Objetivos generales y particulares Objetivos generales Objetivos particulares Actividades a desarrollar Aportación del trabajo 16 i

3 1.7 Conclusiones 16 CAPÍTULO 2 CONVERTIDORES CD-CA Y ESTRUCTURAS DE CONTROL 2.1 Convertidores CD-CA Inversor medio puente Inversor puente completo Dispositivos semiconductores de potencia Técnicas de control de modulación de anchura de pulso PWM Modulación de ancho de pulso Modulación sinusoidal de ancho de pulso PWM programado Tiempo muerto Filtro de salida Técnicas y estructuras de control Control Maestro-Esclavo Control de Límite Central Control de Cadena Circular Control por modos deslizantes Problemas de la puesta en paralelo Conclusiones 32 CAPÍTULO 3 DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN 3.1 Diseño de la etapa de potencia Diseño del filtro LC Diseño del inductor del filtro Implementación del sensor de corriente Características del sensor de corriente Cálculos de implementación del sensor Implementación del sensor de tensión Circuitos impulsores 41 ii

4 3.1.6 Implementación de la etapa de potencia Metodología de diseño de la etapa de Control Implementación de la superficie deslizante Control Maestro-Esclavo Control de Límite Central Control de Cadena Circular Acciones de control Implementación de la etapa de control Implementación del control Conclusiones 61 CAPÍTULO 4 SIMULACIONES Y RESULTADOS EXPERIMENTALES 4.1 Simulación de la etapa de potencia en PSPICE Variación de parámetros en el inductor Variación de parámetros en el condensador Inversores en paralelo Simulaciones en Matlab Resultados Experimentales Resultados experimentales de la etapa de potencia Comparación de los resultados experimentales de la etapa de control con las simulaciones Resultados experimentales del sistema global(potencia-control) Pruebas de Regulación de Línea Pruebas de Regulación de Carga Pruebas de Distribución de Corriente Pruebas de Respuesta Dinámica Comparación de los resultados con otras investigaciones Conclusiones 90 CAPÍTULO 5 CONCLUSIONES Y TRABAJOS FUTUROS 5.1 Conclusiones Conclusiones Particulares 92 iii

5 5.2 Trabajos Futuros 93 APÉNDICE 1 Referencias Bibliográficas 95 APÉNDICE 2 Lista de símbolos 97 APÉNDICE 3 99 iv

6 Capítulo 1 INTRODUCCIÓN Este capítulo presenta una introducción sobre los sistemas de alimentación ininterrumpibles. La tendencia hacia el uso de una estructura modular para crecer en potencia, así como la aplicación de inversores en este tipo de tecnología. Se presentan algunas de las estructuras de control más conocidas en la puesta en paralelo de inversores. Se tratan los puntos principales de la tesis como son: los objetivos, la metodología a desarrollar y las aportaciones de la misma. 1.1 Antecedentes El avance en tecnológico sigue optando por sistemas que permiten la regulación, protección y continuidad en la demanda de corriente. Los diversos equipos de laboratorio, oficina y hogar, requieren de ciertos sistemas que brinden una seguridad y confiabilidad en 1

7 ANÁLISIS DE ESTRATEGIAS DE PUESTA EN PARALELO DE CONVERTIDORES CD/CA horas de trabajo. Estos sistemas consideran la utilización de esquemas modulares, para crecer en potencia. Ya que económicamente es mas viable el uso de esquemas flexibles, los cuales permiten añadir nuevos módulos en caso de ser necesario el manejo de una mayor carga. Algunos sistemas que poseen estas características, generando una potencia la cual está considerada como estable y además confiable, se les denomina sistemas de alimentación ininterrumpible (Uninterrumpible Power Systems, UPS) Sistemas de Alimentación Ininterrumpibles (SAI) Los SAI son capaces de compensar interrupciones, por lo tanto pueden ser utilizados para regular la tensión, siempre que la tensión de entrada sea lo suficientemente elevada para mantener cargadas las baterías. Es una solución común para computadoras críticas y pequeñas cargas de control electrónico en ambientes industriales donde se tienen cargas muy grandes y variables, lo cual ocasiona que la tensión varíe. Sin embargo, presentan como serias desventajas un costo muy elevado y una eficiencia media (dependiendo del modelo y la potencia). Estos equipos están constituidos por un rectificador/cargador, un inversor, un banco de baterías y un interruptor estático [12]. Algunas de las aplicaciones de una SAI son: hospitales, bancos, centrales nucleares, control de procesos y comunicaciones. La figura 1.1 muestra un conjunto de SAI comerciales, los cuales están diseñados para trabajar bajo ciertas especificaciones, de voltaje de alimentación o potencia de salida. Fig 1.1. SAI comerciales A continuación se muestran las configuraciones de SAI que existen de acuerdo a la norma IEC [14]. 2

8 CAPÍTULO 1 INTRODUCCIÓN SAI única SAI sin derivación El arreglo más simple es una sola SAI. Una SAI es capaz de asegurar la continuidad en la potencia de la carga con tal de continuar operando dentro de su especificación SAI con un rectificador común para el inversor y la batería El inversor siempre proporciona la potencia a la carga y este la toma del rectificador o de la batería (vea figura 1.2). El rectificador tiene que ser controlado para recargar y mantiene la batería en una condición de carga. En caso de falla de la red de CA, la batería proporcionará la potencia hasta que el voltaje de CD decrezca tanto que el inversor no pueda operar satisfactoriamente. El tipo y capacidad del la batería determinará la longitud de tiempo en que el sistema pueda operar sin un suministro de CA. Fig 1.2. SAI con rectificador común para el inversor y la batería SAI con carga de batería por separado Nota 1: Las terminales de entrada pueden unirse Nota 2: Puente de diodos, tiristores o interruptores Fig 1.3. SAI con carga de batería por separado 3

9 ANÁLISIS DE ESTRATEGIAS DE PUESTA EN PARALELO DE CONVERTIDORES CD/CA Los requerimientos del rectificador para proporcionar la potencia de entrada del inversor y cargar la batería pueden ocasionar otro conflicto, así que la SAI puede diseñarse para cargar de la batería por separado (figura 1.3) SAI con salidas de CD y CA Algunas aplicaciones requieren una fuente de potencia de CD y CA ininterrumpibles, combinando estos sistemas. Un ejemplo se muestra en la figura 1.4. En algunos casos, la opción de la red de voltaje de CD es restringida por las necesidades del la salida de CD. Fig 1.4. SAI con salidas de CD y CA SAI con derivación conversión doble Por la suma de una derivación, la continuidad de potencia en la carga puede ser mejorada por activación de la derivación, por medio de un interruptor de transferencia en caso de: fallo del SAI, transitorios en la corriente de la carga o carga pico. SAI como en Fig 2 o Fig 3 Nota: Las terminales de entrada pueden unirse Fig 1.5. SAI con derivación Nota: El uso de la derivación puede producir una perturbación en la entrada de CA que afecte a la carga. 4

10 CAPÍTULO 1 INTRODUCCIÓN Operación interactiva en línea La carga es proporcionada por la entrada de CA a través de la derivación (el inversor no está operando con carga), y en caso de falla en la potencia de entrada, el inversor y la batería mantienen la continuidad en la potencia de la carga. Las restricciones de esta configuración aplican para el caso Operación en espera pasiva La carga es proporcionada por la entrada de CA a través de la derivación y en caso de falla en la potencia de entrada, el inversor se activa y con la batería se mantienen la continuidad en la potencia de la carga. Las restricciones de esta configuración aplican para el caso SAI en paralelo SAI en paralelo sin derivación Si se usan unidades de SAI paralelas o unidades paralelas parciales, el sistema debe ser tratado como uno SAI. Se muestran dos ejemplos de SAI en paralelo y paralelo parcial en figuras 1.6a y 1.6b. Fig 1.6a. SAI en paralelo Parcial (con inversores en paralelo) 5

11 ANÁLISIS DE ESTRATEGIAS DE PUESTA EN PARALELO DE CONVERTIDORES CD/CA Nota: Las terminales de entrada pueden unirse Fig 1.6b. SAI en Paralelo (con unidades de SAI en paralelo) SAI en paralelo con derivación Cuando el SAI en paralelo opera como un solo SAI, entonces todos los comentarios en aplican totalmente a esto, y la configuración es equivalente a la figura SAI redundante SAI en espera redundante En caso de fallo de las unidades SAI en operación, el interruptor cambia el servicio en espera y toma esto por encima de la carga, y el SAI que fallo está desconectado SAI en espera redundante sin derivación Nota: Las terminales de entrada pueden unirse Fig 1.7. SAI en espera redundante sin derivación 6

12 CAPÍTULO 1 INTRODUCCIÓN Este sistema continua con las características que se indicaron en y proporciona un mejor método en la continuidad de potencia de la carga. La figura 1.7 muestra el diagrama a bloques SAI en espera redundante con derivación Un circuito de derivación puede ser incluido para mejorar la continuidad de potencia en la carga como lo indicado en , y además, para mantener la transferencia de la carga de uno SAI a otro. Cuando se tiene una impedancia baja, la derivación permitirá que la corriente en la carga fluya, sin una reducción significante del voltaje de salida. Nota: Las terminales de entrada pueden unirse Fig 1.8. SAI en espera redundante con derivación SAI redundante en paralelo Un SAI redundante en paralelo consiste en varias unidades de SAI que comparten la carga actual. La capacidad total del SAI redundante en paralelo será más de los requerimientos de carga, de por lo menos la capacidad de una unidad SAI SAI redundante en paralelo sin derivación Si una unidad SAI falla, debe aislarse para impedir que interfiera con las otras, y el resto pueda continuar proporcionando la carga total. Además, se requiere sincronización en los circuitos de distribución de carga en estos sistemas. Nota: Puede haber algunas partes en una SAI redundante en paralelo, la cual sea común para todas las unidades. La falla de una parte en común puede producir pérdida de continuidad en la potencia de la carga. 7

13 ANÁLISIS DE ESTRATEGIAS DE PUESTA EN PARALELO DE CONVERTIDORES CD/CA Nota: Las terminales de entrada pueden unirse Fig 1.9. SAI redundante en paralelo sin derivación SAI redundante en paralelo sin derivación Una o más derivaciones pueden conectarse alrededor, semejante al sistema en el caso anterior, proporcionando las capacidades de Estructura modular en paralelo Este tipo de estructurar consiste en un conjunto de módulos conectados en paralelo. Cuando se aumenta el número de módulos se logra un incremento en la potencia de salida del sistema, además de mejorar la flexibilidad y confiabilidad de este. El tener mas número de módulos a partir de una potencia fija, reduce el esfuerzo de los componentes que los constituyen [1], [9], [10]. El hecho de considerar un sistema flexible capaz de crecer en potencia y además confiable, suena atractivo desde el punto de vista económico. Es decir, un sistema que puede variar la potencia de salida y que es capaz, en caso de fallo de alguno de los módulos, de mantener regulado el voltaje de salida. Por otro lado si se compara con un módulo el cual fue diseñado para trabajar con solo un valor de carga, este no podría manejar diversos valores de carga en caso de ser necesario. Por lo cual se considera como opción mas viable el uso de una estructura modular. Al conectar los módulos se deben tomar en cuenta la confiabilidad y eficiencia de cada uno de acuerdo a las propiedades y características de la topología en cuestión. 8

14 CAPÍTULO 1 INTRODUCCIÓN Al tener un esquema modular de convertidores conectados en paralelo, existen pequeñas diferencias entre los parámetros internos que los conforman, debido a las tolerancias de cada uno, originando una demanda mayor en alguno de los módulos. Dependiendo de la potencia que se suministre en la carga, la corriente va a ser distribuida en cada uno de los módulos, pero debido a las variaciones en las impedancias, uno de los módulos puede manejar mayor corriente. Por lo tanto se deben igualar las corrientes que fluyen por cada módulo con un sistema de control. En otro caso, al manejar N número de módulos conectados en paralelo, en caso de fallo de alguno de estos, los restantes módulos en operación deben soportar la demanda total de la carga, pero aún se estaría poniendo en riesgo la confiabilidad del sistema. Por lo tanto, es indispensable un sistema que permita además de que los módulos tengan pequeñas variaciones en sus parámetros, pueda igualar la distribución de corriente entre ellos y así no sobredimensionar los módulos. El sistema debe considerar la regulación de voltaje de CA a la salida, así como la distribución de las corrientes circulantes por cada módulo. Se debe tomar en cuenta las restricciones de diseño en términos de los componentes de la etapa de potencia y los parámetros de amplitud y frecuencia de la señal de CA de salida, facilitando el método de diseño. Se eligieron convertidores CD-CA para conformar la etapa de potencia. 1.2 Revisión de estrategias de puesta en paralelo de convertidores CD-CA Ya se han desarrollado proyectos de conexión en paralelo de inversores, donde la etapa de potencia depende de la etapa de control para su buen funcionamiento. En algunas de estas investigaciones se utilizan métodos de distribución de corriente, para lograr equilibrar la corriente circulante por los módulos inversores, aplicando una técnica de control asociada con una estructura de control. La técnica de control permite obtener las superficies de conmutación, mientras que la estructura de control se basa en la manera de interconexión de los inversores para obtener las variables de control. Dichas técnicas deben obtener soluciones robustas frente a variaciones de la carga y/o de la tensión de entrada en los reguladores conmutados de CD- CD y en los convertidores conmutados de CD-CA [1], [3], [5]. 9

15 ANÁLISIS DE ESTRATEGIAS DE PUESTA EN PARALELO DE CONVERTIDORES CD/CA Generalmente, la puesta en paralelo de módulos de convertidores de potencia posee un mayor número de ventajas sobre un convertidor sencillo y una de ellas es su alta potencia [1], [2], [4]. La puesta en paralelo de convertidores mediante módulos es una técnica que se ha estado usando ampliamente en sistemas de potencia distribuidos. Una característica deseable de un sistema de fuentes paralelas es que en cada porción de convertidor individual la carga de corriente sea igual y estable. Cuando se conectan 2 o más módulos aumenta la confiabilidad del sistema global, es decir; la potencia total del sistema no disminuye si alguno de los módulos falla, ya que ésta será proporcionada por el resto de los módulos. Sin embargo, los módulos en paralelo usualmente no son iguales, debido a las posibles variaciones de impedancias en su etapa de potencia, ocasionando la aparición de corrientes no equilibradas cuando se conectan en paralelo. La figura 1.10 muestra un ejemplo de la tendencia a utilizar un sistema modular. Si no se hace una distribución de la carga de corriente de manera igual entre los módulos, entonces es posible que el desbalance provoque que uno o más módulos puedan tener una carga excesiva de corriente [1], [2], [3], [4]. Durante varios años se han realizado distintos estudios, que han presentado propuestas y mejoras de las características deseables de la puesta en paralelo de convertidores y además el proceso distribución de corriente entre los módulos. CD-CA o CD-CD Po 3 Po + - CD-CA o CD-CD Po CD-CA o CD-CD Po 3 CD-CA Po 3 o CD-CD Fig Tendencia a modularizar. 10

16 CAPÍTULO 1 INTRODUCCIÓN Sin embargo, la selección del esquema de puesta en paralelo requiere de un gran entendimiento, en cuanto a la técnica de control y a la estructura a utilizar. Una conexión en paralelo exige la utilización de una estructura de control con dos mallas, una de control de tensión de salida y una malla interna para el control y distribución de las corrientes entre los módulos, debido al desequilibrio causado por las diferencias paramétricas [5]. Es importante considerar la reducción del esfuerzo entre los dispositivos semiconductores y ésto se logra añadiendo más módulos [1], [5]. Otro de los problemas es la interconexión entre los módulos, ya que ésta incrementa la complejidad y puede ser causa de algunos problemas, debido a que alguna de las líneas de distribución puede ser mas sensible al ruido. [6] Fig Esquema de conexión en paralelo de 3 inversores. Fig Circuito equivalente a 3 inversores conectados en paralelo. La figura 1.11 muestra la conexión en paralelo de tres convertidores CD CA monofásicos. La figura 1.12 muestra el circuito equivalente. 11

17 ANÁLISIS DE ESTRATEGIAS DE PUESTA EN PARALELO DE CONVERTIDORES CD/CA Durante la selección del tipo de esquema a utilizar se debe tomar en cuenta lo siguiente: complejidad, costo, confiabilidad, eficiencia. Estas características pueden ser incorporadas en los módulos de convertidores, ya que podrían asegurar dentro del diseño del control y en la integración del sistema: estabilidad, flexibilidad, buen desempeño dinámico Las estructuras de puesta en paralelo de módulos inversores de potencia existen dos principales: Métodos de Caída (Droop) Métodos de Distribución Activa de Corriente (Active Current-Sharing) La figura 1.13 muestra un ejemplo de aplicación de un sistema de control para dos convertidores conectados en paralelo. CD-CA o CD-CD CD-CA o CD-CD Fig Conexión de convertidores en paralelo supervisados por un sistema de control. SMC Dentro de los métodos de caída existen 5 tipos [2]: Convertidores con características de caída. Caída de voltaje debido a la resistencia serie. Caída de voltaje debido a la corriente de retroalimentación. Modo de corriente con baja ganancia en CD. Control de programación con ganancia no lineal. Los métodos de caída presentan como desventaja, una mala regulación de carga [2]. 12

18 CAPÍTULO 1 INTRODUCCIÓN Dentro de los métodos de distribución de corriente, un esquema de conducción consiste en una estructura especifica de control y un método de corriente programada [4]. Sin un mecanismo de distribución de corriente, cada desbalance en el voltaje de salida de cada módulo puede causar que la corriente de salida sea significativamente diferente. Las técnicas de distribución de corriente son usadas sobre la desventaja que presentan los métodos de caída [2]. Existen tres estructuras de control básicas, desde el punto de vista de la estrategia para la distribución de corriente: regulación interna regulación externa estructura de control externa a) Regulación interna (ILR) Esta estructura de control implica que el voltaje de referencia, el voltaje de retroalimentación y el condensador de salida son comunes. Para convertidores en modo de control de corriente promedio, la distribución de corriente puede ser modificada, agregando un control de referencia, para el lazo de corriente interna de cada módulo. Ventajas: distribución de corriente estable, regulación de voltaje de manera precisa. Como resultado, la corriente de salida de los convertidores en paralelo, depende de un control seguro con un lazo de voltaje a la salda del sistema y las señales de error de distribución, no pasan a través de el compensador del lazo de voltaje. Desventajas: el sistema degrada la modularidad, pobre nivel de tolerancia [4]. b) Regulación externa (OLR) Esta estructura utiliza la señal de error del voltaje de salida para ajustar la referencia de este voltaje hasta que la corriente sea la misma en todos los módulos. La idea característica de la estructura es que cada módulo convertidor tenga una retroalimentación de voltaje independiente a la salida. Como ventajas se tienen; flexibilidad en la configuración del sistema, fácil de expandir, excelente nivel de tolerancia. Por otro lado la desventaja es una posible inestabilidad ante un transitorio [4]. 13

19 ANÁLISIS DE ESTRATEGIAS DE PUESTA EN PARALELO DE CONVERTIDORES CD/CA c) Control externo (EC) Este esquema requiere de un control adicional y múltiples conexiones entre el control y cada fuente. Este tipo de control coordina todos los convertidores. Como ventajas se tiene; fácil de implementar los lazos entre módulos, buena distribución de corriente y regulación de voltaje. Por otro lado las desventajas son; más interconexiones entre módulos y el control externo, degradación de la modularidad, degradación de la confiabilidad debido a mas interconexiones y a un control complicado [4]. También existen varios esquemas de corriente programada entre los módulos en paralelo. Por lo tanto, hay más de diez esquemas de distribución activa de corriente, compuestas de una estructura de control y un esquema de corriente programada [2]. Los métodos de corriente programada se dividen en dos: básico (BACP) Métodos de corriente programada [4] corriente promedio maestro - esclavo modificado (MACP) aislado (IACP) maestro especializado (DM) rotación del maestro (RM) maestro automático (AM) 1.3 Hipótesis Es posible implementar N convertidores CD/CA conectados en paralelo aplicando la técnica de control por modos deslizantes con una estructura de control y lograr una buena distribución de corriente entre los módulos y regulación del voltaje de salida. 1.4 Objetivos generales y particulares Objetivo general 14 Probar el buen funcionamiento de dos convertidores CD-CA conectados en paralelo, aplicando modos deslizantes como estrategia de control.

20 CAPÍTULO 1 INTRODUCCIÓN Objetivos particulares Los siguientes puntos describen lo objetivos particulares a realizar en el desarrollo de la tesis: Análisis y estudio Definición de la estructura de potencia Selección del tipo de estructura de control Estudio y análisis de la técnica de control por modos deslizantes como ley de control Diseño e implementación Diseño y sistematización de la implementación del control Pruebas experimentales Validación experimental de la estrategia y estructura de control en un conjunto de 2 inversores conectados en paralelo Comparación con otros trabajos realizados 1.5 Actividades a desarrollar Las principales actividades a realizar durante este proyecto de tesis son las siguientes: diseño de los dos inversores puente completo diseño del sistema de control en base a modos deslizantes análisis de la estrategia de control simulación del sistema modular simulación del sistema modular con la implementación del sistema de control pruebas correspondientes al sistema de potencia pruebas correspondientes al sistema de control acoplamiento de la etapa de potencia y control pruebas correspondientes al sistema global análisis y discusión de resultados 15

21 ANÁLISIS DE ESTRATEGIAS DE PUESTA EN PARALELO DE CONVERTIDORES CD/CA 1.6 Aportación del trabajo Este trabajo está enfocado a la implementación de un sistema modular a través de dos convertidores CD-CA puente completo supervisados por un sistema de control, el cual permita igualar las corrientes en cada módulo, provocada por las diferencias de impedancias en cada uno de ellos. Para ello se analizó la técnica de control por modos deslizantes, como opción mas viable aplicada a un sistema de estructura variable. Esta técnica depende de una estructura de control, por lo cual se realizó una investigación sobre las estructuras de control, con base en modos deslizantes; Control Maestro-Esclavo, Control de Límite Central y Control de Cadena Circular. Los resultados obtenidos de esta investigación se compararon con otras investigaciones desarrolladas en la puesta en paralelo de convertidores. 1.7 Conclusiones El hecho de poder considerar un sistema flexible capaz de crecer en potencia y además mejorar la confiabilidad del mismo, suena atractivo desde el punto de vista económico. La puesta en paralelo de convertidores mediante módulos es una técnica que se ha estado usando ampliamente en sistemas de potencia distribuidos. Una característica deseable de un sistema de fuentes paralelas es que en cada porción de convertidor individual la carga de corriente sea igual y estable. Además, la conexión en paralelo exige la utilización de una estructura de control con dos mallas, una de control de tensión de salida y una malla interna para el control y distribución de las corrientes entre los módulos. 16

22 Capítulo 2 CONVERTIDORES CD-CA Y ESTRUCTURAS DE CONTROL En este capítulo destacan algunos puntos principalmente, primero se seleccionó una estructura de potencia, posteriormente se eligió una estructura de control aplicada a los módulos de potencia y tercero se definió la técnica de control. Se presenta en resumen los tipos de inversores existentes, así como las características principales del inversor medio puente, puente completo y las técnicas de modulación existentes. Un estudio más a fondo de las estructuras mas conocidas en la puesta en paralelo de inversores, así como la justificación de la aplicación de la técnica de control por modos deslizantes como opción mas viable y la problemática del conexionado en paralelo. 17

23 ANÁLISIS DE ESTRATEGIAS DE PUESTA EN PARALELO DE CONVERTIDORES CD/CA 2.1 Convertidores CD-CA La importancia de los convertidores radica en que son ampliamente utilizados en gran variedad de equipos eléctricos proporcionando principalmente un control sobre las variables de salida, tales como la corriente, tensión, o frecuencia. Los inversores son utilizados en control de motores, UPS y en general, en aquellas aplicaciones que necesiten de una tensión de salida en CA controlada. Los inversores también pueden ser utilizados para resolver problemas de distorsión en la red eléctrica como: contaminación armónica, mala regulación, bajo factor de potencia etc. Cada tipo de inversor, en sus variantes de medio puente y puente completo, utiliza dispositivos semiconductores de potencia para proporcionar la tensión deseada en la salida. En los inversores ideales la salida debería ser una señal sin contenido armónico, sin embargo, en la práctica el contenido armónico depende en gran medida del tipo de control empleado en la generación de las señales de conmutación. Los inversores se pueden clasificar como inversores alimentados en voltaje e inversores alimentados en corriente. En los inversores alimentados en corriente, la corriente de salida se mantiene constante independientemente de la carga del inversor. En los inversores alimentados en voltaje, como su nombre lo indica, el inversor es alimentado por una fuente de voltaje lo cual es más simple que alimentarlo con una fuente de corriente, ya que no se coloca un inductor de valor considerable en la entrada. Sin embargo los circuitos de conmutación deben estar bien sincronizados, ya que se puede cortocircuitar a la fuente de entrada si no se realizan las conmutaciones de los elementos de potencia en forma adecuada. Por otra parte este tipo de inversor no cuenta con protección contra corto circuito en la carga como lo tienen los inversores alimentados en corriente. Además del tipo de topología de diseño que representa cada estructura, éstas poseen ciertas ventajas unas de otras como lo son: El inversor puente completo proporciona una alta potencia, mientras que el amplificador clase D esta constituido por un número de elementos reducido, y el inversor push-pull además de permitir una alimentación desde bajo voltaje, tiene la posibilidad de manejar mayor voltaje de salida al variar su relación de transformación. 18

24 CAPÍTULO 2 CONVERTIDORES CD-CA Y ESTRUCTURAS DE CONTROL V cd 2 S 1 V 0 A V cd 2 S 2 Fig 2.1. Inversor monofásico medio puente Inversor medio puente Este tipo de inversor, el cual se muestra en la figura 2.1, está formado por dos interruptores S 1 y S 2 ; su salida se toma en el punto A y su referencia es el punto medio de las fuentes de alimentación. Cada condensador está cargado a una tensión. (2.1) 2 V cd por: La tensión de salida pico V o que el inversor puede proporcionar a la salida está dada V o = ± V 2 cd (2.2) donde: V cd =Tensión del bus de CD La corriente de colector pico que deben manejar los dispositivos semiconductores es igual a: V I cp = 2 Z cd carga (2.3) donde: Z carga =Impedancia equivalente de la carga La tensión colector emisor de los interruptores, V CE, se expresa como: V CE = V cd (2.4) 19

25 ANÁLISIS DE ESTRATEGIAS DE PUESTA EN PARALELO DE CONVERTIDORES CD/CA S 1 S 3 S 1 S 3 S 5 V cd A B V cd A B C S 2 S 4 S 2 S 4 S 6 (a) (b) Fig 2.2. Inversores convencionales: a) Inversor monofásico, b) Inversor trifásico Inversor puente completo Este inversor tiene un mejor desempeño que el anterior. Proporciona una tensión alterna a la carga y la alimentación del inversor se realiza a través de una sola fuente de CD. La figura 2.2 muestra la configuración para este tipo de inversor en su versión monofásica y trifásica. por: La tensión de salida pico V o que el inversor puede proporcionar a la salida está dada V 0 = ± V cd (2.5) La corriente de colector pico que deben manejar los dispositivos semiconductores es igual a: Vcd I cp = (2.6) Z La tensión colector emisor de los interruptores V CE, se expresa como: carga V CE = V cd (2.7) El propósito de esta tesis consiste en desarrollar un sistema capaz de generar una potencia que permita el buen funcionamiento de la carga. De modo que la puesta en paralelo de módulos de inversores permitirá el incremento en la potencia de salida. Este sistema debe ser capaz de considerar la regulación de voltaje de CA a la salida, así como la ecualización de las corrientes circulantes por cada modulo inversor, mediante un conjunto de superficies de conmutación y sus respectivas leyes de control. 20

26 CAPÍTULO 2 CONVERTIDORES CD-CA Y ESTRUCTURAS DE CONTROL Se deberán tomar en cuenta las restricciones de diseño en términos de los componentes de la etapa de potencia del inversor y los parámetros de amplitud y frecuencia de la señal de CA de salida, facilitando el método de diseño. La estructura seleccionada por Domingo Biel [10] para el diseño de los inversores fue medio puente pero se decidió cambiar la estructura por puente completo por las ventajas que tiene esta sobre la de medio puente. Para los inversores de puente completo, la potencia de salida es cuatro veces mas alta y la componente fundamental es dos veces la correspondiente a la de los inversores de medio puente aunque la calidad del voltaje para los dos casos es la misma, puede operar en dos cuadrantes y además tiene un flujo bidereccional de corriente a través de la carga. De esta manera la estructura seleccionada para el desarrollo de la tesis es Puente Completo. Esta topología está conformada por 4 interruptores, funciona de la siguiente manera: Cuando Q 1 y Q 2 se activan simultáneamente, el voltaje de entrada V S aparece a través de la carga. Si los interruptores Q 3 y Q 4 se activan al mismo tiempo, el voltaje a través de la carga se invierte, y adquiere el valor -V S. Cuando los diodos D 1 y D 2 conducen, sé retroalimenta la energía a la fuente de CD por lo que se dice que D 1 y D 2 son diodos de retroalimentación. Este tipo de inversor tiene simetría de media onda e impar. La magnitud de los armónicos está dada por: bn 4 T f ( t)sen T wtdt 2 = 0 4Vcd bn = nπ (2.8) (2.9) La tensión de salida está dada por: 4Vcd Vo nπ n= 1 sen( nwt) para n = 1,3,5,7 (2.10) A continuación la figura 2.3 muestra las señales de control(v G1,2,3,4 ) del inversor, la señal de salida y el encendido y apagado de los dispositivos semiconductores. 21

27 ANÁLISIS DE ESTRATEGIAS DE PUESTA EN PARALELO DE CONVERTIDORES CD/CA Fig 2.3. Señales de control y forma de onda de salida con carga RL de un inversor puente completo Dispositivos semiconductores de potencia Para los dos tipos de inversores revisados anteriormente, se observa que los esfuerzos en corriente son los mismos. Sin embargo, los dispositivos tienen esfuerzos en tensión diferentes y son mayores en el inversor de medio puente. En ambos casos, para aplicaciones de alta tensión los interruptores deben manejar altos valores de dv / dt lo cual significa utilizar componentes robustos y por tanto costosos. Por otra parte, los picos de tensión que se provocan al conmutar los dispositivos semiconductores pueden llegar a un valor considerable siendo necesario sobredimensionar los componentes para evitar su destrucción. 2.2 Técnicas de control de modulación de anchura de pulso PWM Las técnicas de modulación PWM (Pulse Width Modulation), permiten controlar el voltaje de salida de los inversores para hacer frente a variaciones de entrada de CD, para regulación del voltaje de los inversores y para los requisitos de control constante del voltaje y la frecuencia. Existen 3 tipos principalmente: ancho de pulso, sinusoidal, programado. Las aplicaciones mas conocidas son en inversores; medio puente, puente completo, puente trifásico. 22

28 CAPÍTULO 2 CONVERTIDORES CD-CA Y ESTRUCTURAS DE CONTROL Modulación de ancho de pulso La técnica de modulación de la duración de pulsos encendido o apagado que es aplicada en la conmutación de transistores es llamada PWM. El propósito de la modulación de ancho de pulso es variar el ciclo de trabajo de acuerdo a: d = t on t + t on = off t on f (2.11) donde: t on = Tiempo de encendido t off = Tiempo de apagado f = Frecuencia fundamental Así que d puede ser variada por la modulación del tiempo de encendido t on o el tiempo de apagado t off o ambos. En la figura 2.4 se muestran los diferentes tipos de técnicas PWM, en la figura 2.4(a) el tiempo de encendido(t on ) se mantiene fijo y se varía el tiempo de apagado(t off ), en la figura 2.4(b) el tiempo en apagado(t off ) se mantiene fijo y se varía el tiempo en encendido(t on ), en la figura 2.4(c) se varía el tiempo de encendido y el tiempo de apagado. (a) (b) (c) Fig 2.4. Técnicas PWM: a) t on fijo y varía t off, b) t off fijo y varía t on, c) varía t on y t off Modulación sinusoidal de ancho de pulso En esta técnica en lugar de mantener igual el ancho de todos los pulsos, el ancho de pulso varía en porción de una señal sinusoidal evaluada en el centro del mismo pulso. El factor de distorsión y las armónicas de menor orden se reducen en forma significativa. 23

29 ANÁLISIS DE ESTRATEGIAS DE PUESTA EN PARALELO DE CONVERTIDORES CD/CA Fig 2.5. Modulación de una onda sinusoidal; arriba A 1 (Señal portadora), A 2 (Señal de referencia), abajo V s señal resultante de la comparación y su complementaria. Las señales (V s ) según se muestra en la figura 2.5 se generan al comparar una señal sinusoidal de referencia con una onda portadora triangular de referencia A 1 y A 2 respectivamente. El número de pulsos por medio ciclo depende de la frecuencia portadora, el voltaje rms de salida puede controlarse sí se varía el índice de modulación. La figura 2.5 muestra la comparación de una señal sinusoidal con una triangular para obtener los pulsos de control PWM programado La técnica de modulación PWM programado permite la eliminación selectiva de armónicos. La figura 2.6 muestra la señal de V CD con 3 ángulos por cuarto de ciclo = 12 ángulos. Fig 2.6. Angulos alfa. 24

30 CAPÍTULO 2 CONVERTIDORES CD-CA Y ESTRUCTURAS DE CONTROL 2.3 Tiempo muerto El tiempo muerto previene el empalme de señales en una conmutación cuando éstas se encuentran una en el tiempo de subida(t rise ) y la otra en el tiempo de bajada(t fall ) o viceversa. Las gráficas muestran las señales de control para un inversor medio puente con y sin tiempo muerto. La figura 2.7 muestra las conmutaciones teóricas. Mientras un transistor esta encendido el otro esta apagado. En las señales inferiores se muestra el efecto del tiempo muerto sobre de ellas, observándose que las señales no se empalman. Fig 2.7. Señales de control teóricas(superior), reales(inferior). La figura 2.8 muestra el efecto del tiempo muerto en la tensión Vo en un inversor medio puente, para una corriente positiva a) y para una corriente negativa b). Es notable observar el desfasamiento que presentan las señales mediante el tiempo muerto de modo de evitar el empalme de estas. El tiempo muerto está en función de alfa (α ). (a) 25

31 ANÁLISIS DE ESTRATEGIAS DE PUESTA EN PARALELO DE CONVERTIDORES CD/CA (b) Fig 2.8. Efecto del tiempo muerto en la tensión Vo en un inversor medio puente: a)corriente positiva, b)corriente negativa. 2.4 Filtro de salida En los inversores ideales las formas de onda del voltaje de salida deberían de ser sinusoidales. Sin embargo, en los inversores reales no son así y contienen ciertas armónicas. La función principal del filtro de salida consiste en disminuir los armónicos de alto orden sin afectar la frecuencia fundamental. La figura 2.9 muestra combinaciones para el diseño del filtro: LC paralelo, LC serie, LCC serie, LCC paralelo. La figura 2.10 representa la función de un filtro LC en la salida de inversor El filtro elegido para el desarrollo de la tesis es el LC paralelo. Este tipo de circuito tiene una distorsión armónica menor al del circuito LC serie. Entre los aspectos mas importantes de este tipo de filtro LC paralelo se tiene: Una ganancia de máxima aproximación igual al factor de calidad Proporciona una sobre tensión Mayor factor de calidad, menor distorsión armónica del tercer armónico La corriente de entrada debe ser mayor a la corriente de carga (a) (b) (c) (d) Fig 2.9. Tipos de filtro: a) LC paralelo, b) LC serie, c) LCC serie, d) LCC paralelo. 26

32 CAPÍTULO 2 CONVERTIDORES CD-CA Y ESTRUCTURAS DE CONTROL Fig Diagrama a bloques de la conexión de un filtro LC en un inversor. Cuando la corriente por la carga es grande, los filtros LC presentan una mejora con respecto a los filtros RC. La idea es hacer que el rizado aparezca en los componentes en serie, las bobinas en este caso. Para un circuito LC paralelo, y a diferencia de un circuito LC serie, la impedancia a la frecuencia de resonancia tiende, (con componentes ideales), al infinito. 2.5 Técnicas y estructuras de control Dentro de la clasificación de las estructuras de puesta en paralelo de módulos inversores de potencia existen dos principales: Métodos de Caída (Droop) Métodos de Distribución Activa de Corriente (Active Current-Sharing) Los métodos de caída, basan su funcionamiento en afectar al sistema mediante la señal obtenida a la salida del sistema. Por otra parte los métodos de distribución activa de corriente, se basan en afectar el funcionamiento del sistema mediante el muestreo de las variables internas del sistema. De este modo es importante detallar que nuestro sistema es afectado por la variación de los parámetros internos en la etapa de potencia, provocando una mayor demanda de corriente en alguno de los módulos inversores. son: Algunas de las estructuras más conocidas asociadas a distribución activa de corriente Control Maestro-Esclavo (Master-Slave Control M-S ) Control de Limite Central (Central Limit Control CLC ) Control de Cadena Circular (Circular Chain Control CCC ) 27

33 ANÁLISIS DE ESTRATEGIAS DE PUESTA EN PARALELO DE CONVERTIDORES CD/CA Una conexión en paralelo exige la utilización de una estructura de control de dos mallas, una malla de control de la tensión de salida y una malla interna para el control de la distribución de corriente en cada uno de los módulos Control Maestro - Esclavo La técnica Maestro-Esclavo se basa en considerar uno de los inversores como fuente de tensión sinusoidal (inversor Maestro) y los restantes módulos como fuentes de corriente ecualizadas (inversores Esclavo). Aplicando esta técnica, los requerimientos pueden ser satisfactorios, por medio del diseño de un lazo de control de voltaje para el inversor Maestro, en función de una señal de referencia externa. Por otra parte la operación de las fuentes de corriente ecualizadas está en función del diseño de un lazo de control de corriente para cada uno de los inversores Esclavos, donde la corriente de inductor del inversor Maestro actúa como una corriente de referencia. Esta estrategia de control se ha aplicado generalmente en inversores en paralelo con controles basados en modulación de anchura de pulsos(pwm) [1]. Tabla 2.1. Combinación de los diferentes esquemas de distribución de corriente activa Métodos de corriente programada Esquemas de puesta en paralelo BACP MACP IACP DM RM AM BACP MACP IACP DM RM AM ILR ILR ILR ILR ILR ILR ILR Estructuras de Control OLR BACP + MACP + IACP + DM + RM + AM + OLR OLR OLR OLR OLR OLR BACP MACP IACP DM RM AM EC EC EC EC EC EC EC 28

34 CAPÍTULO 2 CONVERTIDORES CD-CA Y ESTRUCTURAS DE CONTROL Control de Límite Central En la estrategia M-S todas las leyes de control incluyen un lazo de corriente y de voltaje asignado a cada convertidor. En el caso de la estrategia de control de Límite Central (CLC), la corriente de cada inversor sigue a la corriente promedio de todos los módulos Control de Cadena Circular Finalmente, en el caso del control de Cadena Circular(CCC), la corriente de cada módulo inversor sigue a la corriente del módulo previo, formando una estructura circular. 2.6 Control por modos deslizantes Además de la selección del tipo de estructura de control a utilizar, se debe tomar en cuenta el tipo de técnica de control, con aplicación a la estructura. Un control lineal (PID) es sensible a variaciones en los parámetros planteados. El control PID se ajusta para un punto óptimo de operación y cuando se produce una variación en la carga, el control en funcionamiento es afectado. En otras palabras, para cada carga, el control debería de retomar el punto. Una posible solución es el uso de un control adaptivo aunque este control llega a ser muy complejo [2]. Un sistema de estructura variable (VSS, por sus siglas en inglés), se caracteriza por la acción de un control en modo discontinuo, el cual toma un punto de operación, sobre cambios en la superficie de conmutación. El principal problema en un control VSS para un convertidor es el determinar el instante adecuado para la conmutación [2]. En un VSS el control por modos deslizantes es muy atractivo para solucionar el problema. Donde una superficie deslizante determina el instante en que se debe llevar acabo la conmutación. El control por modos deslizantes permite una regulación del voltaje de salida y además es utilizada para mejorar la robustez y la respuesta dinámica en diferentes convertidores, tales como filtros activos, inversores y convertidores cd/cd. El sistema de control por modos deslizantes es empleado en sistemas que presentan variación de parámetros en función del tiempo como la puesta en paralelo de convertidores [2], [3], [9], [10]. 29

35 ANÁLISIS DE ESTRATEGIAS DE PUESTA EN PARALELO DE CONVERTIDORES CD/CA Fig Diagrama a bloques de la estrategia de control por modos deslizantes(smc)[3]. La figura 2.11 muestra el diagrama a bloques de un control por modos deslizantes [3]. Los pasos a seguir para desarrollar esta técnica son [11]: 1. Proponer una superficie de deslizamiento 2. Verificar la existencia de un modo de deslizamiento 3. Finalmente análisis de la estabilidad dentro de la superficie deslizante La superficie deslizante propuesta es una combinación de variables de estado, ésto porque es más fácil de implementar y analizar teóricamente. El control por modos deslizantes forza al sistema a mantenerse en la superficie mencionada y entonces el sistema se posiciona en un punto de equilibrio, la superficie deslizante debe incluir el punto de equilibrio. Una técnica de control robusta es capaz de asegurar una buena operación incluso con cargas reactivas o cargas no lineales. Uno de los problemas principales es el determinar una superficie de control, ya que ésta debe estar en función de la señal de control del sistema. Para la selección de la técnica de control se consideraron los trabajos desarrollados en la Universidad Politécnica de Cataluña, donde aplican el control por modos deslizantes como opción mas viable en la puesta en paralelo de convertidores CD-CA. Además, se tuvo una estancia de trabajo de Dr. Domingo Biel, profesor de esta institución. Él utiliza esta técnica de control combinada con una estructura la cual determina la interconexión de los inversores. 30

36 CAPÍTULO 2 CONVERTIDORES CD-CA Y ESTRUCTURAS DE CONTROL 2.7 Problemas de la puesta en paralelo Los inversores se conectaron en paralelo en la etapa de salida y cuando ésto sucede los inversores estarán conmutando independientemente. Durante este proceso se pueden presentar algunos problemas. Uno de ellos es el cortocircuito de la fuente. (a) (b) Fig Problema de la puesta en paralelo, efecto; cortocircuito en la fuente: a)interruptores 2 y 3 encendidos, b)interruptores 1 y 4 encendidos. La figura 2.12 presenta dos inversores conectados en paralelo, ya que están conmutando independientemente, el problema se observa cuando se encienden los interruptores 2 y 3(a) o 1 y 4(b), creando un lazo entre la fuente del primer inversor y la tierra del segundo o viceversa, provocando un cortocircuito. A continuación se muestran tres soluciones posibles para evitar el cortocircuito. 1. Utilizar fuentes de tensión diferentes 2. Añadir inductores. Esta opción aparentemente es sencilla, pero aumenta el tiempo de diseño y costo del prototipo (fig 2.13) 3. Modificar la estrategia de control (fig 2.14) Fig Comparación del filtro LC con de filtro a utilizar como posible solución. 31

37 ANÁLISIS DE ESTRATEGIAS DE PUESTA EN PARALELO DE CONVERTIDORES CD/CA Este último punto implica el controlar independientemente la rama derecha simultáneamente en cada uno de los inversores que se van a conectar en paralelo. Es decir mientras la rama del inversor de lado izquierdo esté conmutando a 20kHz, el lado derecho del inversor está conmutando más lento, pero de igual manera en cada uno de los inversores. La figura 2.14 a-b muestra en ejemplo los dos casos de como se deben encender los interruptores. (a) (b) Fig Control sobre los interruptores: a)control sobre interruptores 2 y 3-4, b)control complementario. 2.8 Conclusiones La elección de la estructura de potencia, la cual fue puente completo, se debe a que la potencia de salida es 4 veces mas alta y la componente fundamental es dos veces con respecto a medio puente. Además, con la finalidad de realizar un análisis comparativo con otros artículos ya que esta topología es la más empleada en la puesta en paralelo de convertidores. En lo que respecta a la estructura de control se eligió trabajar con un método de distribución activa de corriente de los cuales se tienen 3 principales; M-S, CLC, y CCC. La implementación de la estructura M-S es más simple y requiere de menos componentes con respecto a las otras dos. Además esta estructura solo depende de un lazo de voltaje para el control del inversor maestro con referencia a una señal externa y un lazo de corriente para el control de los inversores esclavos. 32

38 CAPÍTULO 2 CONVERTIDORES CD-CA Y ESTRUCTURAS DE CONTROL La estrategia de control por modos deslizantes fué seleccionada ya que además de ser considerado un sistema de control de estructura variable determina el instante adecuado para realizar la conmutación, permite una regulación de voltaje de salida y se utiliza en sistemas que presentan variación de parámetros. 33

39 ANÁLISIS DE ESTRATEGIAS DE PUESTA EN PARALELO DE CONVERTIDORES CD/CA 34

40 Capítulo 3 DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN En este capítulo se muestra el diseño e implementación de la etapa de potencia. Se plantea una metodología para el diseño de la etapa de control, partiendo del análisis del control por modos deslizantes, la selección de la estructura de control y posteriormente el cálculo e implementación del control con base en amplificadores operacionales. De acuerdo a la estructura de potencia elegida se construyeron dos prototipos experimentales, para validar la hipótesis la cual se desea demostrar. A continuación se plantean algunas especificaciones de partida en la Tabla 3.1 Del mismo modo se presentan algunas de las características de análisis y diseño para la implementación del control por modos deslizantes aplicado a un sistema modular de 2 inversores conectados en paralelo. 35

41 ANÁLISIS DE ESTRATEGIAS DE PUESTA EN PARALELO DE CONVERTIDORES CD/CA Tabla 3.1. Especificaciones de diseño de la etapa de potencia. Voltaje de entrada Vin 180Vcd Voltaje de salida Vo 127Vca Potencia de salida Po 500W Frecuencia de conmutación fs 20kHz Número de inversores N Diseño de la etapa de potencia Diseño del filtro LC En este punto se presenta como se diseñó el filtro que formó parte del sistema. Los valores del voltaje de salida del filtro es 120 VCA a 60 Hz, se propuso una frecuencia de corte a 1kHz y un condensador con un valor de 12µf con el cual se obtuvo el valor del inductor. La figura 3.1 muestra el filtro LC, en este caso el condensador de resonancia se ha colocado en paralelo con la carga. de carga Procedimiento para el cálculo del tanque LC Las siguientes formulas muestran el factor de calidad en un sistema en función de la impedancia característica y la resistencia en la carga. El valor de la impedancia característica está en función del valor de la inductancia y el condensador. donde: Zc Q = R Q = Factor de calidad (3.1) Zc = L L C (3.2) C R L Fig 3.1. Tanque resonante LC paralelo 36