ANÁLISIS Y DISEÑO DE UN RECTIFICADOR TRIFÁSICO ELEVADOR PWM

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1 UNIVERSIDAD CARLOS III DE MADRID ESCUELA POLITÉCNICA SUPERIOR DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA ELÉCTRICA INGENIERÍA INDUSTRIAL ANÁLISIS Y DISEÑO DE UN RECTIFICADOR TRIFÁSICO ELEVADOR PWM Julio AUTOR: Alejanro García Bragao TUTOR DEL PROYECTO: Carlos Álvarez Orega

2 Ínice Ínice. Inroucción Recificaores rifásicos Recificaores rifásicos no conrolaos Recificaores rifásicos conrolaos Objeivos.... Moelao..... Ecuaciones el recificaor en ejes abc..... Transformación e coorenaas Consrucción el moelo: Resulaos el moelao Diseño el conrol Obención e los ciclos e rabajo Diseño e los conrolaores e corriene Regulaores proporcionales-inegrales, PI Sinonización e los regulaores Simulación e los conrolaores e corriene Diseño el conrolaor e ensión Moelao el regulaor e ensión Simulación el regulaor e ensión Armónicos en las corrienes e enraa Moificación el facor e poencia Facor e poencia inucivo Facor e poencia capaciivo Valiación experimenal Inroucción... 5 Análisis y iseño e un recificaor rifásico elevaor PWM Página

3 Ínice 5.. Proceimieno experimenal Descripción e los componenes Meoología experimenal Resulaos experimenales Valiación el PLL Valiación el recificaor Conclusiones Trabajos fuuros Bibliografía... 7 Análisis y iseño e un recificaor rifásico elevaor PWM Página

4 Ínice Ínice e figuras Fig... Esquema e un DFIG[]... 7 Fig... Diagrama e bloques el sisema e conrol e un DFIG[].. 8 Fig... Limies e ensión e recificaor... 9 Fig..4. Topología e un recificaor rifásico conrolao ipo elevaor... 9 Fig..5. Topología e un recificaor rifásico conrolao ipo reucor... Fig... Posiciones posibles para los IGBT s... Fig... Circuio el recificaor con los conensaores y las bobinas susiuios por sus fuenes equivalenes... Fig... Circuio el recificaor conrolao ipo elevaor... 4 Fig..4. Sisemas e referencia rifásico abc y q... 6 Fig..5. Esquema el moelao el recificaor... Fig..6. Diagrama e bloques en Simulink el moelo el recificaor... Fig..7. Variación e la ensión Vc a lo largo el iempo... Fig..8. Variación e la corriene i a lo largo el iempo... Fig..9. Zoom e la variación e la corriene i a lo largo el iempo... 4 Fig... Variación e la corriene iq a lo largo el iempo... 5 Fig. 4.. Esquema e conrol el recificaor... 6 Fig. 4.. Señal e la ensión e enraa rifásica iviia en 6 inervalos e 6º... 7 Fig. 4.. Valores e los ciclos e rabajo en caa una e las seis regiones... 7 Fig Evolución emporal el ciclo e rabajo a... 8 Fig Esquema e conrol e corriene... 9 Fig Diagrama e bloques el conrolaor PI... Fig Moelo Simcoupler. Librería e PSIM para Simulink... Fig Circuio en PSIM con las enraas y salias e conrol Simcoupler... Análisis y iseño e un recificaor rifásico elevaor PWM Página

5 Ínice Fig Esquema e la simulación e los conrolaores e corriene 4 Fig. 4.. Moelo en Malab e la simulación e los conrolaores e corriene... 4 Fig. 4.. Corriene e enraa referenciaa al eje... 5 Fig. 4.. Ampliación e la evolución emporal e i en los insanes finales e la simulación... 5 Fig. 4.. Evolución emporal e la corriene iq... 6 Fig Evolución emporal el ciclo e rabajo en eje,... 7 Fig Evolución emporal el ciclo e rabajo en eje q, q... 7 Fig Evolución emporal e la ensión e salia, Vc... 8 Fig Ampliación e la evolución emporal e la ensión e salia, Vc... 9 Fig Respuesa e i ane escalón en la referencia... 4 Fig Respuesa e iq ane escalón en la referencia... 4 Fig. 4.. Moelo el sisema e conrol e ensión el recificaor.. 4 Fig. 4.. Evolución e la ensión e salia, Vc, con conrol e ensión Fig. 4.. Evolución e la corriene i, con conrol e ensión Fig. 4.. Tensión y corriene e una e las fases el recificaor no conrolao Fig Análisis en frecuencia e la corriene e enraa el recificaor no conrolao Fig Tensión y corriene e una e las fases el recificaor conrolao Fig Análisis en frecuencia e la corriene e enraa el recificaor conrolao Fig Tensión y corriene e una e las fases el recificaor con facor e poencia inucivo Fig Evolución emporal el facor e poencia el recificaor 49 Fig Tensión y corriene e una e las fases el recificaor con facor e poencia capaciivo... 5 Fig. 4.. Evolución emporal el facor e poencia el recificaor 5 Análisis y iseño e un recificaor rifásico elevaor PWM Página 4

6 Ínice Fig. 5.. Perspeciva general el laboraorio con uno e los experimenos monao... 5 Fig. 5.. Móulo recificaor Fig. 5.. Bobinas e mh Fig Imagen el DSP 8 e Texas Insrumens Fig Dealle el panel fronal e la fuene rifásica Fig Resisencias e 5Ω en paralelo Fig Imagen el osciloscopio y una sona e ensión Fig Osciloscopio RIGOL DS5D Fig Imagen el circuio inegrao para la aecuación e las señales e isparo Fig. 5.. Esquema el moelo e paria para los procesos experimenales Fig. 5.. Bloque e Simulink para enraas analógicas en el DSP.. 59 Fig. 5.. Bloque e Simulink que genera señales PWM... 6 Fig. 5.. Moelo e bloques en Simulink para la comprobación el PLL... 6 Fig Ona e ensión e enraa y acivación el PLL cuano <θ<π/ Fig Ona e ensión e enraa y acivación el PLL cuano π/4<θ< π/... 6 Fig Ampliación e la ona e ensión y acivación el PLL cuano π/4<θ< π/... 6 Fig Ampliación e la ona e ensión y acivación el PLL... 6 Fig Ona e ensión e enraa y acivación el PLL cuano <θ<π/ Fig Tensión y corriene e enraa e una e las fases en el recificaor no conrolao Fig. 5.. Tensión e enraa, corriene e enraa y ensión e salia el recificaor Fig. 5.. Señales e los isparos e los IGBT s para un facor e poencia unia Análisis y iseño e un recificaor rifásico elevaor PWM Página 5

7 Ínice Fig. 5.. Corriene y ensión a la enraa el recificaor, con facor e poencia inucivo Fig. 5.. Ampliación e la corriene y ensión a la enraa el recificaor, comporamieno inucivo Fig Transiorio en la corriene e enraa al recificaor Análisis y iseño e un recificaor rifásico elevaor PWM Página 6

8 Inroucción. Inroucción Una e las configuraciones e mayor crecimieno en el mercao e urbinas eólicas se conoce como urbina eólica con generaor e inucción oblemene alimenao (DFIG). Ese consise en un generaor e inucción con roor bobinao cuyo circuio e esaor esá irecamene conecao a la re e poencia y el circuio e roor conecao a ravés e un converior enominao back-oback, que acúa como variaor e frecuencia (Fig..). La oble alimenación se refiere a que la ensión el esaor es obenia e la re y la ensión el roor ese el converior. Fig... Esquema e un DFIG[] Uno e los equipos más empleaos en la inusria para el conrol e generaores oblemene alimenaos (DFIG) es el converior rifásico alerna-alerna. En icho equipo, la ensión que se genera en la eapa e coninua (Vc) es proporcionaa por un recificaor rifásico (Fig..), bien a parir e la ensión e re, bien a parir e la poencia generaa en el roor. Eso epenerá e la velocia e giro el generaor. Análisis y iseño e un recificaor rifásico elevaor PWM Página 7

9 Inroucción Fig... Diagrama e bloques el sisema e conrol e un DFIG[] Dicho recificaor rifásico puee ser conrolao o no conrolao. Se puee ver una clasificación más eallaa en los siguienes aparaos... Recificaores rifásicos Un recificaor es un componene que conviere corriene alerna en corriene coninua. Por ano, un recificaor rifásico es aquel que ransforma corriene alerna rifásica en corriene coninua.... Recificaores rifásicos no conrolaos Los recificaores no conrolaos consan e un puene e ioos y un conensaor elecrolíico. Las venajas más imporanes e ese ipo e equipos resien en su reucio cose y en la simplicia e su operación. Denro e sus limiaciones o esvenajas esacan la imposibilia e la regeneración e energía, la aparición e armónicos en la corriene e enraa y la no posibilia e conrol el facor e poencia.... Recificaores rifásicos conrolaos Los recificaores conrolaos emplean irisores o ransisores e poencia (GTO, Mosfe, IGBT, ) como isposiivo e conrol. Análisis y iseño e un recificaor rifásico elevaor PWM Página 8

10 Inroucción En el presene rabajo se uilizará el IGBT, el inglés Insulae Gae Bipolar Transisor. Se ha opao por ese ipo e isposiivo por su capacia e rabajo en alas frecuencias e conmuación (hasa khz). Los recificaores rifásicos conrolaos se pueen clasificar en os opologías básicas epenieno el nivel e ensión a la salia, como inica la siguiene figura: RECTIFICADOR ELEVADOR RECTIFICADOR REDUCTOR Fig... Limies e ensión e recificaor Si el volaje a la salia (Vc) es mayor que el valor pico e la ensión e línea (Vm) el recificaor se efine como elevaor (Boos recifier) y iene la opología mosraa en la Fig..4. p L S ap S bp S cp V c V CA V AB V BC V a V b V c C R S an S bn n S cn Fig..4. Topología e un recificaor rifásico conrolao ipo elevaor Si icha ensión se encuenra en la zona vere e la Fig.., es ecir, su valor es inferior a, enonces el recificaor se efine como reucor (Buck recifier) y su opología se muesra en la Fig..5. Análisis y iseño e un recificaor rifásico elevaor PWM Página 9

11 Inroucción Fig..5. Topología e un recificaor rifásico conrolao ipo reucor Los recificaores conrolaos permien un flujo biireccional e la poencia y a ravés e aecuaas écnicas e conrol y moulación genera corrienes e enraa prácicamene sinusoiales. El facor e poencia e ese ipo e recificaores puee ser ajusao a voluna [7]. Análisis y iseño e un recificaor rifásico elevaor PWM Página

12 Objeivos. Objeivos El principal objeivo e ese proyeco es el e analizar, moelar, simular y valiar experimenalmene un recificaor rifásico conrolao ipo elevaor, a parir e sus ecuaciones maemáicas. Para ello se uilizará la aplicación informáica Malab, y su enorno Simulink, juno con la herramiena e simulación PSIM. Poseriormene se iseñará un sisema e conrol basao en la moulación por ancho e pulso (PWM) con las mismas herramienas para implemenar icho sisema e conrol en un procesaor igial e señales (DSP). El procesaor igial e señales que se va a uilizar en la valiación experimenal es el TMSF8 e Texas Insrumens. Análisis y iseño e un recificaor rifásico elevaor PWM Página

13 Moelao. Moelao En ese capíulo se abora el moelao el recificaor a parir e las ecuaciones maemáicas que lo rigen. Una vez obenias las ecuaciones referenciaas correcamene se consruirá un moelo en Simulink... Ecuaciones el recificaor en ejes abc Como objeivo e ese capíulo se han e obener las ecuaciones que ican el funcionamieno el recificaor referenciaas a los ejes q para que el conrol poserior sea más sencillo []. Para comenzar, se obienen las ecuaciones referenciaas a los ejes abc parieno el recificaor elevaor e la Fig..4. El moelo consa e una fuene rifásica en riángulo (vab,vbc y vca) y una inucancia rifásica en serie (L) a la enraa el recificaor. El recificaor propiamene icho, a su vez, consa e un puene e ransisores IGBT s (Sap, Sbp, Scp, San, Sbn y Scn) one el primer subínice inica la fase (a, b, c) y el seguno inica el lao el recificaor, p para posiivo y n para negaivo. Para moelar la salia, se uiliza un conensaor (C) en paralelo para isminuir el rizao e la ensión coninua e salia y una resisencia (R) que hace las veces e carga. Toos los elemenos el circuio e la Fig..4 se pueen moelar sin ningún ipo e problema salvo los ransisores IGBT s, para el moelao ésos serán susiuios por inerrupores como inica la Fig... Fig... Posiciones posibles para los IGBT s Análisis y iseño e un recificaor rifásico elevaor PWM Página

14 Moelao Aemás, es necesario ener en cuena que los conensaores no se pueen corocircuiar y que las bobinas no pueen quear en circuio abiero. Dicho eso, se puee susiuir esos elemenos por sus fuenes equivalenes, eso es: Fig... Circuio el recificaor con los conensaores y las bobinas susiuios por sus fuenes equivalenes Por lo ano, las combinaciones posibles serán:. Done el subínice i inica una e las res fases (a, b o c) y, como se ijo aneriormene, p inica el lao posiivo el recificaor y n, por el conrario, el lao negaivo. La ecuación (.) viene a ecir que en caa rama eberá exisir un inerrupor cerrao y oro abiero. En oro caso se corocircuiaría la fuene e ensión (ambos cerraos) o se abriría la fuene e corriene (ambos abieros). Una vez moelaos los ransisores IGBT s se pasa a obener las ecuaciones el recificaor en ejes abc para, poseriormene, converirlas en ecuaciones referenciaas en ejes q que se uilizarán en la consrucción el moelo en Simulink. Para ello se pare el circuio mosrao en la Fig... Análisis y iseño e un recificaor rifásico elevaor PWM Página

15 Moelao Fig... Circuio el recificaor conrolao ipo elevaor Aplicano las leyes e Kirchhoff, se iene que:. Done:. Y en forma maricial y para oo el circuio:.4 Luego:.5 Noano que:.6 Por ora pare: Análisis y iseño e un recificaor rifásico elevaor PWM Página 4

16 Moelao.7 Luego:.8 Si se efinen: ; ; ;.9 Resula:. Y como:.. Finalmene se iene que:..4 Por ano, las ecuaciones el recificaor en ejes abc son: Análisis y iseño e un recificaor rifásico elevaor PWM Página 5

17 Moelao.5.. Transformación e coorenaas Para un conrol ópimo y eficiene el recificaor se uilizarán las variables referenciaas a los ejes giraorios q []. La ransformación e Park conviere las componenes abc el sisema rifásico a oro sisema e referencia q. El objeivo e la ransformación consise en converir los valores rifásicos abc, variables sinusoiales en el iempo, a valores consanes q, en régimen permanene. Primeramene se efine el sisema e coorenaas a uilizar. En ese caso, el sisema que se ha uilizao es el mosrao en la Fig..4. Fig..4. Sisemas e referencia rifásico abc y q Según [] la mariz e ransformación para pasar e referencia abc a referencia q es: cos cos cos sin sin sin.6 Análisis y iseño e un recificaor rifásico elevaor PWM Página 6

18 Moelao Done, sieno la frecuencia e la línea. Parieno e las ecuaciones (.) y (.4), y sabieno que:.7 Se llega a: r T iq r = T v L v r c T = llt C q r T q L r vc T il l RC v c ; nóese que T T =.8 Operano, se puee obener que: T r i q r i r q r + T = T vq T L L vc r r T vc = ( T l l ) T il l C RC q v c.9 Y así, muliplicano por T a ambos laos e la ecuación: T T r r iq r iq + = v L T vc r = q i C q q r L vc RC q v c. Para resolver esas úlimas ecuaciones, se ebe simplificar las operaciones con la mariz e ransformación T: Análisis y iseño e un recificaor rifásico elevaor PWM Página 7

19 Moelao Análisis y iseño e un recificaor rifásico elevaor PWM Página = = sin cos sin cos sin cos π π π π T T T T T T. Derivano la mariz: = + + = cos sin cos sin cos sin π π π π T T T = cos sin cos sin cos sin sin sin sin cos cos cos π π π π π π π π Muliplicano las marices, se iene: = cos sin cos sin cos sin sin sin sin cos cos cos π π π π π π π π = = T T T T. Con ese resulao, finalmene:

20 Moelao Análisis y iseño e un recificaor rifásico elevaor PWM Página 9 = = RC v i C v v L i v L i c q T q c c q q q q r r r r r r. Y por ano, las ecuaciones en ejes q que efinen el comporamieno el recificaor son: [ ] = = RC v i i i C v v L i i i v v v L i i i c q q c c q q q q.4 Se pueen simplificar esas ecuaciones si se iene en cuena que se va a rabajar con un sisema equilibrao e ensiones, es ecir: + + CA BC AB v v v + + CA BC AB i i i + + CA BC AB.5 Enonces: sin sin sin cos cos cos = + + = x x x x x c b a q π π π π Por lo que la componene cero puee ser omiia, queano por fin las ecuaciones que se uilizarán en la consrucción el moelo en Simulink:

21 Moelao Análisis y iseño e un recificaor rifásico elevaor PWM Página [ ] = = RC v i i C v v L i i v v L i i c q q c c q q q q.6 Se puee llegar más allá enieno en cuena que el eje q esá esfasao 9º respeco el eje, que gira en sincronismo con la frecuencia e la re. La consecuencia e eso, siempre y cuano el sisema esé equilibrao, es que la ensión en eje q se puee eliminar según: sin cos sin cos sin cos sin sin sin cos cos cos = + + = + + = q m c b a q V V V V V V V π π π π π π π π Si, aemás, se busca que la corriene e enraa al recificaor vaya en fase con la ensión e enraa para ener un facor e poencia unia (no hay consumo ni generación e poencia reaciva), enonces ambién se cumplirá la expresión anerior para la corriene en eje q. Es ecir, imponieno I q = se puee asegurar que la corriene esará en fase con la ensión ya que, parieno e que V q =, oa la corriene esará en el eje, alineaa con V. Es posible que inerese el conrol el facor e poencia. En ese caso, I q. Las ecuaciones finalmene quean:

22 Moelao i i q v = L vc = C i v iq L q i vc q iq RC [ ] c.7 Los parámeros, en el puno e equilibrio enieno en cuena un sisema equilibrao y con la corriene en fase con la ensión, son: V = V m, V q = ; Vc I =, I q = ; D R D q LI V =, c V D =.8 Vc.. Consrucción el moelo: Una vez obenias las ecuaciones ya poemos consruir el moelo en bloques el recificaor en el enorno e Simulink (Fig..5). Para ello, basa con ener en cuena que las variables e enraa son y q, la variable e salia es Vc y las variables el sisema son i, iq y Vc. Fig..5. Esquema el moelao el recificaor Y en Simulink será, aplicano las ecuaciones (.6), el que se observa en la Fig..6. Análisis y iseño e un recificaor rifásico elevaor PWM Página

23 Moelao Vq *w*l *Ls [iq] [i] i [] [q ] q [] [q] R R*C.s+ Vc Vc [q] [ ] [iq] iq *w*l *Ls [i] V Fig..6. Diagrama e bloques en Simulink el moelo el recificaor Done los bloques naranjas inican las enraas al sisema y en bloque vere la salia, mienras que los bloques grises y rojos son simples conecores e señales..4. Resulaos el moelao Para comprobar que el moelao ha sio correco, se realizaron unas pruebas en el enorno e Simulink Los parámeros inroucios para icha comprobación se han seleccionao en base a los elemenos reales que exisen en el laboraorio. Por ano, los parámeros seleccionaos fueron los que se muesran en la Tabla.. Tabla. Parámeros el recificaor Vm(V) Vc(V) C(µF) L(mH) R(Ω) f(hz) 4, Análisis y iseño e un recificaor rifásico elevaor PWM Página

24 Moelao Con esos parámeros y aplicano las ecuaciones (.8) se obiene que los valores que hay que inroucir en el moelo son: V = 74V, V = ; D =, 66, D =, 6 q q Una vez inroucios esos valores, los resulaos que arroja Simulink aparecen en la Fig..7 y en la Fig Tensión Vc (V) Tiempo (s) Fig..7. Variación e la ensión Vc a lo largo el iempo Como se puee observar, a meia que ranscurre el iempo la ensión se esabiliza en el valor que se había programao. Asimismo, la corriene e enraa referenciaa al eje alcanza el valor e icha variable en el puno e equilibrio. 6 4 Corriene i (A) Tiempo (s) Fig..8. Variación e la corriene i a lo largo el iempo Análisis y iseño e un recificaor rifásico elevaor PWM Página

25 Moelao Para saber que el moelao ha sio correco, se aplican las ecuaciones (.8) para las corrienes: I =, 74A, I = q.9 Esos valores son valores e las variables en el puno e equilibrio en régimen permanene y se comparan con los que proporciona Simulink. En la Fig..8 no se observa con claria el valor exaco que alcanza la corriene, pero realizano un zoom se puee llegar a ver, como muesra la Fig Corriene i (A) Tiempo (s) Fig..9. Zoom e la variación e la corriene i a lo largo el iempo Como se observa en la Fig..9 la corriene llega a alcanzar el valor calculao en (.9). Por ano se puee concluir que el moelao ha sio realizao e forma correca. Por úlimo y para cerrar la comprobación, se hace lo propio con la corriene e enraa referenciaa al eje q, iq (Fig..). Análisis y iseño e un recificaor rifásico elevaor PWM Página 4

26 Moelao - Corriene iq (A) Tiempo (s) Fig... Variación e la corriene iq a lo largo el iempo Dicha corriene alcanza el valor el puno e equilibrio obenio meiane las ecuaciones, por lo que se concluye que el moelo es válio. Análisis y iseño e un recificaor rifásico elevaor PWM Página 5

27 Diseño el conrol 4. Diseño el conrol Como se comenó en el capíulo anerior, se realizará un conrol en base a los ejes giraorios y q para que ése sea ópimo y eficiene. El conrol proporciona los valores e los ciclos e rabajo necesarios para llegar a las referencias. Se iseñará un conrol aniao: e corriene en el inerior el anillo y e ensión en el exerior, oos ellos con realimenación uniaria (Fig. 4.). Vc i Vc ref fp ref CONTROL Vc CONTROL I CONTROL Iq q TRANSF. DE PARK a b c RECTIFICADOR iq Fig. 4.. Esquema e conrol el recificaor El conrol e ensión enrega a su salia la ampliu e la corriene aciva i. Esa corriene es la referencia el bucle e conrol e corriene en eje. La referencia para el bucle e conrol en eje q se obiene a parir el facor e poencia que se esee a la enraa. 4.. Obención e los ciclos e rabajo Como se ha comenao en la inroucción e ese capíulo, se necesian los ciclos e rabajo a, b y c []. Los ciclos e rabajo necesarios, que eben saisfacer ij, se pueen obener iviieno la señal e ensión e enraa en seis inervalos e 6º caa uno. En caa inervalo, los signos e las ensiones son consanes, no cambian. Se puee comprobar en la Fig. 4., one se muesran ensiones e fase en función el iempo. Análisis y iseño e un recificaor rifásico elevaor PWM Página 6

28 Diseño el conrol Fig. 4.. Señal e la ensión e enraa rifásica iviia en 6 inervalos e 6º Para caa una e las seis regiones escrias se elegirá un valor iferene para a, según la Fig. 4.. Fig. 4.. Valores e los ciclos e rabajo en caa una e las seis regiones Según las resricciones aneriores el ciclo e rabajo e la rama a, a, enrá la evolución emporal que se observa en la Fig Análisis y iseño e un recificaor rifásico elevaor PWM Página 7

29 Diseño el conrol Fig Evolución emporal el ciclo e rabajo a 4.. Diseño e los conrolaores e corriene Como se observa en la Fig. 4., en el anillo inerior se encuenra el conrol e corriene. Ése se ivie en un conrol para la corriene en eje y oro en eje q separaamene. En ese aparao se abora el iseño e ichos conrolaores e corriene. Según [4], las esraegias e conrol propuesas para recificaores PWM son básicamene: Conrol e fase y ampliu, que provee un buen parón e isparos para reucir los armónicos e corriene en iempo esacionario y un buen rizao e la ensión coninua e salia. Como conraparia inrouce una componene coninua en la ensión el lao e alerna el recificaor. Conrol por hiséresis, que iene una rápia respuesa inámica, buena precisión, no inrouce offse y es robuso, pero la frecuencia e isparo varía con la corriene e carga. Conrol clásico basao en regulaores PID, que muesra una respuesa inámica rápia, así como un buen parón e isparos, a pesar e ser sensible a variaciones e los parámeros. Análisis y iseño e un recificaor rifásico elevaor PWM Página 8

30 Diseño el conrol Con oo eso, se elige un conrol clásico basao en regulaores proporcionales-inegrales, PI s. El esquema e conrol propueso es el mosrao en la Fig Iref + PI G(s) I - Fig Esquema e conrol e corriene El bloque G(s) represena la función e ransferencia el recificaor y viene aa por la ecuación (4.) [4]: 4. Done R es la resisencia e caa fase y: 4. En la ecuación (4.) V T es la ensión e la ona riangular e referencia que se uiliza en la moulación PWM. En ese caso, como los ciclos e rabajo se efinieron para que esuviesen comprenios enre y, V T =. Si, como en oros supuesos, los ciclos e rabajos se refieren en ano por cieno, el valor e V T sería. Inroucieno los valores e la Tabla., se obiene la función e ransferencia el recificaor: 75 75, 5 4. Una vez obenia la función e ransferencia se ienen que calcular los valores el bloque PI. Para ello, en el siguiene aparao, se hace una breve reseña e la efinición e los regulaores PI. Análisis y iseño e un recificaor rifásico elevaor PWM Página 9

31 Diseño el conrol Cabe esacar que los bloques e conrol e corriene que aparecen en la Fig. 4., ano el bloque e conrol e la corriene en eje como el e conrol e iq, son iguales. Eso es, los regulaores PI que se calculan en los siguienes aparaos son válios para ambos conroles [4] Regulaores proporcionales-inegrales, PI Una e las pares más imporanes e un sisema e conrol es su conrolaor. Los conrolaores se ienifican por sus moos e conrol. Esos, en conrol clásico, pueen ser P (Proporcional), PI (Proporcional Inegral), PD (Proporcional Derivaivo) y PID (Proporcional Inegral Derivaivo). El regulaor más usao en el conrol e procesos es el PI cuya represenación es la siguiene: 4.4 Sieno u la variable e conrol y e la iferencia enre la referencia y la salia. Ese conrolaor posee os acciones. La acción proporcional P a una salia en el conrolaor que es proporcional al error, sieno el error la iferencia enre el valor eseao y la salia (valor realimenao). La acción inegral I prouce una señal proporcional a la inegral el error [5]. Esos os efecos se ven represenaos en la ecuación (4.4). El iempo inegral Ti es el iempo que ebe ranscurrir para que la acción inegral alcance en magniu a la acción proporcional. El iagrama e bloques el conrolaor PI (Fig. 4.6) explica las ecuaciones. En el iagrama P = /. Análisis y iseño e un recificaor rifásico elevaor PWM Página

32 Diseño el conrol Fig Diagrama e bloques el conrolaor PI De ese iagrama se obiene la función e ransferencia el conrolaor represenaa en la ecuación Sinonización e los regulaores Un proceimieno uilizao en la sinonización e los conrolaores PI para procesos simples, consise en la localización e los polos e lazo cerrao en una posición específica, proceimieno que se conoce normalmene como méoo e ubicación e polos [6]. En ese aparao se presenan e forma resumia las ecuaciones para la eerminación e los parámeros e los conrolaores PI, necesarios para ubicar los polos e lazo cerrao en una posición eerminaa. Si un proceso e primer oren ao por la función e ransferencia e la ecuación (4.5) se conrola con un regulaor PI que viene efinio por la ecuación (4.6) Enonces, según [6], los valores e los parámeros para icho regulaor son los mosraos en las ecuaciones (4.7) y (4.8). Análisis y iseño e un recificaor rifásico elevaor PWM Página

33 Diseño el conrol 4.7 τ 4.8 Done n es la frecuencia naural el sisema y ξ el facor e amoriguamieno. El facor o coeficiene e amoriguamieno inica la forma posible e respuesa el sisema ane un salo e escalón uniario en la enraa. Esa forma puee ser: subamoriguaa u oscilane para ξ menor que uno, críica para ξ igual a uno y sobreamoriguaa o no oscilane para ξ mayor que uno. Comparano la ecuación (4.) con la ecuación (4.5), aplicano las ecuaciones (4.7) y (4.8), enieno en cuena que n es igual a 5 ra/s [4] y eligieno un facor e amoriguamieno ξ,75, los parámeros e los conrolaores son:, , 4. Por ano, la función e ransferencia el conrolaor PI es. P I s 6,66667,667 s Simulación e los conrolaores e corriene Una vez obenios los parámeros e los conrolaores e corriene se procee a la simulación en el enorno e Malab, con la herramiena Simulink. Para simular el recificaor se uiliza la herramiena informáica PSIM. Análisis y iseño e un recificaor rifásico elevaor PWM Página

34 Diseño el conrol La ransmisión e aos enre ambas aplicaciones se hace posible gracias un bloque llamao Simcoupler Fig. 4.7, que se incorpora a la librería e Malab una vez se insala PSIM. Así, Simulink se encargará e la pare e conrol mienras que PSIM realizará los cálculos corresponienes a la elecrónica e poencia. Fig Moelo Simcoupler. Librería e PSIM para Simulink La aapación en PSIM se puee observar en la Fig Fig Circuio en PSIM con las enraas y salias e conrol Simcoupler Análisis y iseño e un recificaor rifásico elevaor PWM Página

35 Diseño el conrol La ubicación el móulo Simcoupler se observa e una manera más clara en el iagrama e conrol que se va a seguir en el iseño, expresao en la Fig hea i I_ref + - PI q a SIMCOUPLER Va PLL Iq_ref + PI q abc b c PSIM Recificaor ia ib ic abc q - iq Fig Esquema e la simulación e los conrolaores e corriene Como se observa en la Fig. 4.9, exise un bloque llamao PLL, e las siglas en inglés phase locke loop. Ese bloque es el encargao e calcular el valor el ángulo e la ensión e fase para así poer hacer la ransformaa e coorenaas esacionarias a coorenaas giraorias y viceversa. 4.. El moelo que se ha implemenao en Malab es el represenao en la Fig. [Va] hea ab ab Va Va hea.748 i _ref PID q abc bc bc a a Vb [Vb] pll hea i _ref PID i i iq _ref PID q ca ca Vc [Vc] ia iq _ref PID iq Transf. q abc ciclos_e _rabajo b b ia abc q [Va] Va ib ib Fixe sep = e-4 L=mH R=ohm RL=75 ohm [Vb] Vb c c ic iq C= uf Vm=4.74 V Vc=5 V [Vc] Vc Vc ic Ciclos e rabajo Recificaor Vconinua Transf. abc q Fig. 4.. Moelo en Malab e la simulación e los conrolaores e corriene Los valores e corriene i e iq e referencia se obienen aplicano las ecuaciones (.8) y los parámeros e la Tabla.. Análisis y iseño e un recificaor rifásico elevaor PWM Página 4

36 Diseño el conrol El iempo e simulación es e,5 segunos. Los resulaos que arroja Malab se muesran en la Fig Corriene i (A) Tiempo (s) Fig. 4.. Corriene e enraa referenciaa al eje Si se realiza una ampliación e la gráfica en los insanes finales (Fig. 4.) se observa con claria que el valor e la corriene oscila alreeor e los.7 A. Valor que es próximo a los.74a que se había calculao en (.9) Corriene i (A) Tiempo (s) Fig. 4.. Ampliación e la evolución emporal e i en los insanes finales e la simulación Análisis y iseño e un recificaor rifásico elevaor PWM Página 5

37 Diseño el conrol Es ecir, el regulaor PI que conrola la corriene i iene sus parámeros correcamene calculaos, ya que consigue llevar icha corriene a su valor e referencia. Asimismo ocurre con la corriene e enraa referenciaa al eje q, iq (Fig. 4.). 5 5 Corriene iq (A) Tiempo (s) Fig. 4.. Evolución emporal e la corriene iq Como se observa en la Fig. 4., la corriene iq se esabiliza enorno al valor e A, eso es, que al igual que ocurre con el regulaor para la corriene i, los parámeros el regulaor e la corriene e enraa referenciaa al eje q esán bien calculaos. Para comprobar que las afirmaciones aneriores son correcas, se analiza la evolución emporal e los ciclos e rabajo ano en eje (Fig. 4.4) como en eje q (Fig. 4.5) y se comparan los resulaos con los obenios analíicamene en el aparao.4. Análisis y iseño e un recificaor rifásico elevaor PWM Página 6

38 Diseño el conrol..8 Ciclo e rabajo (A) Tiempo (s) Fig Evolución emporal el ciclo e rabajo en eje, Ciclo e rabajo q (A) Tiempo (s) Fig Evolución emporal el ciclo e rabajo en eje q, q Como se observa en la Fig. 4.4 y en la Fig. 4.5, los valores e los ciclos e rabajo se ciñen a los calculaos en aparaos aneriores,,6 para el ciclo e rabajo en el eje y -, para q. Con oo eso, el valor e la ensión e salia ebe e ser e 5V, que es lo que se asignó en el cálculo e los parámeros. Se puee ver cómo Análisis y iseño e un recificaor rifásico elevaor PWM Página 7

39 Diseño el conrol evoluciona la ensión e salia, Vc, a lo largo e la simulación en la Fig Tensión Vc (V) Tiempo (s) Fig Evolución emporal e la ensión e salia, Vc Se puee observar que la ensión se esabiliza enorno a 5V, y que icha ensión es prácicamene consane. Ampliano la Fig. 4.6 se aprecia mejor la ensión obenia, así como el rizao (Fig. 4.7). Análisis y iseño e un recificaor rifásico elevaor PWM Página 8

40 Diseño el conrol Tensión Vc (V) Tiempo (s) Fig Ampliación e la evolución emporal e la ensión e salia, Vc Como se puee ver en la Fig. 4.7 la ensión es inferior a 5V, eso es ebio a que en las ecuaciones el moelo el recificaor no se han enio en cuena las périas ano el recificaor en sí como las périas por efeco Joule e las bobinas e enraa. Esa simulación se realiza con unas referencias e corriene consanes a lo largo el iempo. En los siguiene subaparaos se analiza el comporamieno el conrol ane variaciones en ichas referencias. 4...a Variación en la referencia e la corriene e enraa en eje Para comprobar la soliez el conrol e corriene en eje se inrouce una variación el ipo escalón en la referencia e icha corriene. Eso es, la corriene e consigna pasa e ser,74a a ser e A. Análisis y iseño e un recificaor rifásico elevaor PWM Página 9

41 Diseño el conrol 4.5 Corriene i (A) Tiempo (s) Fig Respuesa e i ane escalón en la referencia Como se observa en la Fig. 4.8, la corriene i sigue la consigna a pesar el escalón. También se observa que la respuesa ane icho escalón es subamoriguaa, ya que se inroujo un valor el coeficiene e amoriguamieno menor que la unia, más concreamene ξ, b Variación en la referencia e la corriene e enraa en eje q Al igual que lo analizao para la corriene en eje, se realiza una simulación para comprobar el comporamieno el conrol e corriene en eje q (Fig. 4.9). Para ello, se inrouce igualmene una variación ipo escalón en la referencia e icha corriene y se analizan los resulaos. La variación que se simula es un salo e A negaivo, que como se verá más aelane se raa e cambiar el facor e poencia unia para pasar a un facor e poencia inucivo. Análisis y iseño e un recificaor rifásico elevaor PWM Página 4

42 Diseño el conrol Corriene iq (A) Tiempo (s) Fig Respuesa e iq ane escalón en la referencia Al igual que ocurre con i, la corriene e enraa referenciaa en eje q sigue la consigna que se le ica. Por ano, se puee concluir que el conrol e corriene es robuso. 4.. Diseño el conrolaor e ensión Una vez calculao el lazo e conrol e corriene, el anillo inerior, se procee a iseñar el conrol e ensión a la salia, Vc. Como se inicó en la Fig. 4., el conrol e ensión proporciona a su salia una ensión consane e igual al valor que se esee, es ecir, al valor e referencia. Como se comenó aneriormene, al aplicar solamene el conrol e corriene no se consigue llegar a la ensión que se espera ebio a que en las ecuaciones uilizaas no se ha consierao el efeco e las périas ano en la línea como en el propio recificaor. Por eso, es necesario un conrol e ensión. Análisis y iseño e un recificaor rifásico elevaor PWM Página 4

43 Diseño el conrol 4... Moelao el regulaor e ensión A iferencia el conrol e corriene, el conrol e ensión se ha realizao uilizano un sisema e realimenación con respuesa por hiséresis. Como se inicó, ese sisema e conrol es preciso y rápio. Se ha elegio para el conrol e ensión por su sencillez y ebio a que exise e anemano un conrol e corriene robuso que implica la no exisencia e cambios bruscos en la ensión e salia. El sisema e conrol realimenao viene represenao en la Fig. 4.. Vc señal e error error i_ref i_ref Vc Tension eseaa Conrol por hiseresis Recificaor Fig. 4.. Moelo el sisema e conrol e ensión el recificaor Como se puee observar, se realimena la señal e ensión coninua que proporciona el recificaor. Dicha señal es resaa a la ensión que se esea para obener la señal e error. Ese error es la iferencia que exise enre la ensión real a la salia el recificaor y la ensión que se quiere conseguir. Es por ello que el bloque e conrol e ensión raa e moificar la corriene i e referencia a razón el valor e icha señal e error. Como ya se vio, la expresión que relaciona la ensión e coninua (Vc) y la corriene referenciaa al eje (i) es: 4. En base a esa relación, el bloque e conrol aumena el valor e i_ref si la señal e error es posiiva, es ecir, si la ensión real esá por ebajo e la ensión que se esea. Disminuye icho valor en caso conrario. Análisis y iseño e un recificaor rifásico elevaor PWM Página 4

44 Diseño el conrol Esa variación e la corriene se hace proporcional al valor absoluo e la señal e error, eso es, cuano mayor sea la señal e error (ano posiiva como negaiva) mayor es la variación que se asigna a la corriene e referencia. Así se consigue una mayor velocia e respuesa y ransiorios mas suavizaos Simulación el regulaor e ensión Para llevar a cabo la simulación, como en aparaos aneriores, se ha uilizao la herramiena Simulink e Malab para simular el conrol y el programa e simulación PSIM para hacer lo propio con el recificaor. Análisis y iseño e un recificaor rifásico elevaor PWM Página 4

45 Diseño el conrol Esa simulación se ha realizao uilizano como ensión coninua e referencia Vc=5V. En la Fig. 4. se represena el valor e la ensión a la salia el recificaor: Tensión (V) Tiempo (s) Fig. 4.. Evolución e la ensión e salia, Vc, con conrol e ensión Como se puee observar, la ensión alcanza el valor eseao a iferencia con lo que ocurría sin el conrol e ensión, que se alcanzaba un valor e ensión inferior ebio a las périas. El valor e la corriene referenciaa al eje, i, no se ve afecao (Fig. 4.) a pesar e que la ensión se vea aumenaa hasa alcanzar el valor e consigna, ebio a la exisencia el conrol e corriene..5.5 Corriene i (A) Tiempo (s) Fig. 4.. Evolución e la corriene i, con conrol e ensión Análisis y iseño e un recificaor rifásico elevaor PWM Página 44

46 Diseño el conrol 4.4. Armónicos en las corrienes e enraa Como se comenó en el capíulo inroucorio, un recificaor no conrolao inrouce una gran cania e armónicos a la re. Esa esvenaja se puee ver simulano el recificaor en esuio sin conrol alguno, eso es, en vez e uilizar IGBT s se uilizan ioos recificaores. Para ello se realiza en PSIM un moelo e un recificaor e ioos. La forma e la ensión e enraa e una e las fases juno con la corriene e enraa al recificaor e icha fase se muesra en la Fig. 4.. I(RLa)* Va Time (s) Fig. 4.. Tensión y corriene e una e las fases el recificaor no conrolao Como se observa, la corriene presena una cania imporane e armónicos. Dicha caracerísica se observa claramene en la Fig I(RLa) Frequency (KHz) Fig Análisis en frecuencia e la corriene e enraa el recificaor no conrolao Análisis y iseño e un recificaor rifásico elevaor PWM Página 45

47 Diseño el conrol La Fig. 4.4 es un análisis en frecuencia e la corriene e una e las fases e enraa. Se observa un alo número e armónicos y e valores muy alos. Una e las principales caracerísicas e los recificaores conrolaos es que, si el conrol esá bien iseñao, se minimiza la inclusión e armónicos a la re. Esa propiea se ve reflejaa en la Fig. 4.5, que es análoga a la Fig. 4. pero para el recificaor conrolao en esuio: I(RLa)* Va Time (s) Fig Tensión y corriene e una e las fases el recificaor conrolao Se observa que la corriene, en color rojo, iene una forma e ona sinusoial, con armónicos e muy ala frecuencia y e bajo valor. Ese hecho se raifica con el análisis en frecuencia e icha corriene (Fig. 4.6). I(RLa) Frequency (Hz) Fig Análisis en frecuencia e la corriene e enraa el recificaor conrolao Análisis y iseño e un recificaor rifásico elevaor PWM Página 46

48 Diseño el conrol 4.5. Moificación el facor e poencia Hasa ahora, y como se ha comenao en el aparao., para simplificar las ecuaciones el recificaor se ha empleao un facor e poencia unia. Pero una e las caracerísicas e los recificaores es que se puee moificar el facor e poencia a la enraa. En ese aparao se inroucen las moificaciones necesarias en las ecuaciones para que así sea. Poseriormene, se realiza una serie e simulaciones para comprobar que ichas moificaciones son correcas. Parieno e las ecuaciones el recificaor (.8) y si no se realizan las simplificaciones que implican un facor e poencia unia, es ecir, si se iene en cuena que la corriene iq puee ser isina e cero, se llega a que los valores e los parámeros en el puno e equilibrio son: V = V m, V q = ; I Vc =, I q = I anϕ ; V R D q LI =, V c D V = + LI V c 4. Como se observa en las ecuaciones(4.), el facor e poencia va implício en la iguala que relaciona la corriene i con la corriene iq. Es por eso que si se moifica la corriene e enraa referenciaa al eje q se verá moificao el facor e poencia Facor e poencia inucivo En ese aparao se procee a la simulación el circuio recificaor con el conrol compleo e corriene y ensión con una moificación e la corriene iq e referencia para la obención e un facor e poencia inucivo. Análisis y iseño e un recificaor rifásico elevaor PWM Página 47

49 Diseño el conrol En icha simulación se preene obener un aelano e graos e la ensión e enraa con respeco a la corriene, eso se rauce en un facor e poencia e,866. Para obener icho facor e poencia es necesario calcular el valor e la corriene iq e referencia que se va a imponer. Basa con aplicar la ecuación (4.) y ener en cuena el sisema e referencia e ejes giraorios represenao en la Fig..4. Con oo eso, el valor e consigna e iq es:, Se inrouce ese valor en el bloque e la referencia e iq en el moelo el recificaor con conrol compleo e Malab para obener e PSIM la evolución e la corriene e enraa a lo largo e la simulación, así como la ensión e enraa (Fig. 4.7). I(RLa)* Va Time (s) Fig Tensión y corriene e una e las fases el recificaor con facor e poencia inucivo Como se observa, la corriene, en rojo, va en reraso con respeco a la ensión, lo que nos inica que el recificaor iene un comporamieno inucivo. En la Fig. 4.7 no se observa el valor e icho facor e poencia. Para ello, PSIM ispone e una herramiena que mie el facor e poencia y lo represena en función el iempo. Análisis y iseño e un recificaor rifásico elevaor PWM Página 48

50 Diseño el conrol VAPF_DPF Time (s) Fig Evolución emporal el facor e poencia el recificaor En la Fig. 4.8, el ransiorio inicial es ebio al ajuse el PLL, así como al iempo e respuesa e los conroles e ensión y corriene. En régimen esacionario, el facor e poencia alcanza el valor eseao. Luego quea emosrao que un recificaor conrolao es capaz e moificar el facor e poencia a la enraa Facor e poencia capaciivo Análogamene al aparao anerior, se quiere emosrar que el recificaor conrolao puee ener un comporamieno capaciivo. Para ello se realiza una simulación similar a la acomeia para conseguir un facor e poencia inucivo. Esa vez, el valor que se ebe inroucir en la referencia e corriene iq ha e ser:, Como ocurría en el aparao anerior, ese valor surge e la aplicación e las ecuaciones (4.) y oma el signo posiivo al ser un facor e poencia capaciivo, ya que si se sigue la referencia e ejes giraorios q, se efine cos(φ)> para comporamienos capaciivos. Para la simulación se ha opao e nuevo por un esfase e graos enre la corriene y la ensión e enraa. Esa vez en aelano para la corriene. Análisis y iseño e un recificaor rifásico elevaor PWM Página 49

51 Diseño el conrol Los resulaos obenios se muesran en la Fig I(RLa)* Va Time (s) Fig Tensión y corriene e una e las fases el recificaor con facor e poencia capaciivo En la Fig. 4.9 cabe esacar que la corriene, en rojo, va aelanaa con respeco a la ensión, en azul. Eso significa que el recificaor iene un comporamieno capaciivo, al y como se había programao. Como en la Fig. 4.9 no se aprecia cuáno es el esfase enre las os magniues, se uiliza PSIM para meir el facor e poencia. Dicho facor e poencia se ve represenao en el gráfico e la Fig. 4.. VAPF_DPF Time (s) Fig. 4.. Evolución emporal el facor e poencia el recificaor Al igual que suceía en el caso inucivo, el facor e poencia alcanza el valor eseao ras aproximaamene seguno e simulación. Análisis y iseño e un recificaor rifásico elevaor PWM Página 5

52 Diseño el conrol Por ano, se puee concluir que el conrol el recificaor ebiamene iseñao puee hacer variar el facor e poencia a la enraa, ya sea ése capaciivo o inucivo. Análisis y iseño e un recificaor rifásico elevaor PWM Página 5

53 Valiación experimenal 5. Valiación experimenal 5.. Inroucción En esa pare el proyeco se proceerá a valiar experimenalmene los iferenes moelos el recificaor creaos en los capíulos aneriores. 5.. Proceimieno experimenal 5... Descripción e los componenes En ese aparao se escriben los elemenos uilizaos en los iferenes ensayos, oos ellos isponibles en el laboraorio (Fig. 5.). Como se comenó aneriormene, el recificaor consa e 6 IGBT s y un conensaor a la salia. Aemás el recificaor en sí, son necesarias bobinas (una por caa fase), una fuene rifásica y una resisencia que hace las veces e carga. Para los ensayos ambién es necesario un procesaor igial e señales (DSP) para, como su propio nombre inica, aquirir señales e lecura e las iferenes variables y raarlas para obener meiane moulación PWM los isparos e los nombraos IGBT s. Al margen e los elemenos que acúan en el proceso experimenal se ispone e los corresponienes equipos e meia. Toos esos elemenos se escriben más eallaamene en los siguienes aparaos. Análisis y iseño e un recificaor rifásico elevaor PWM Página 5

54 Valiación experimenal Fig. 5.. Perspeciva general el laboraorio con uno e los experimenos monao Aemás e los elemenos ciaos, se uilizan los oporunos componenes e conexionao, como cables y aparaos para aecuar las iferenes meias y señales....a Móulo recificaor El recificaor uilizao viene insalao en un móulo juno con su corresponiene conensaor. Es el converior eucacional e Semikron SEMISTACK_IGBT. En el panel fronal e icho móulo esá accesible la alimenación rifásica, así como el conecor para los ciclos e rabajo provenienes el procesaor igial e señales, como inica la Fig. 5.. Análisis y iseño e un recificaor rifásico elevaor PWM Página 5

55 Valiación experimenal Conexión e señales e isparo Lao e DC-Conensaor Lao e AC Fig. 5.. Móulo recificaor Como se observa en la imagen, el nombrao móulo rae consigo os conensaores en serie, caa uno e ellos e µf. La ensión máxima que sopora en el lao e coninua es e 75V, mienras que en el lao e alerna es e 44V eficaces. 5...b Bobinas Las bobinas evian cambios bruscos que se proucen en la corriene ebios a las conmuaciones e los IGBT s [8]. Se uilizan bobinas e mh caa una, una por caa fase. Dichas bobinas se aprecian en la Fig. 5.. Fig. 5.. Bobinas e mh Esas bobinas ienen una resisencia inerna e Ω. Análisis y iseño e un recificaor rifásico elevaor PWM Página 54

56 Valiación experimenal 5...c Procesaor igial e señales Se ha uilizao un procesaor igial e señal e Texas Insrumens (DSP TMSF8) monao en una arjea e Specrum Digial ezsp F8 (Fig. 5.4). Esa arjea iene la venaja e poer acceer e forma rápia y cómoa a oos los pueros e enraa y salia el microprocesaor. El DSP TMSF8 permie leer enraas analógicas, procesarlas e forma igial y obener hasa seis pares e señales PWM e salia para el conrol e los converiores. Fig Imagen el DSP 8 e Texas Insrumens Dispone e un procesaor e 5MHz y os móulos e memoria e 8KB caa uno. Trabaja con una programacion en coma fija e bis Fuene rifásica La fuene rifásica uilizaa es una ELGAR SW55M (Fig. 5.5). Es una fuene rifásica e,5kva que puee ar salia ano en coninua como en alerna. Aemás se puee uilizar como generaor e onas. Análisis y iseño e un recificaor rifásico elevaor PWM Página 55

57 Valiación experimenal Fig Dealle el panel fronal e la fuene rifásica 5...e Resisencia e carga Se ispone e resisencias e 5Ω caa una (Fig. 5.6), que si se conecan en paralelo se consigue una resisencia e carga e 75Ω. Fig Resisencias e 5Ω en paralelo 5...f Insrumenos e meia Para las meiciones se han uilizao iferenes polímeros, así como varios osciloscopios. Análisis y iseño e un recificaor rifásico elevaor PWM Página 56

58 Valiación experimenal El osciloscopio principal es un osciloscopio LeCroy con sus respecivas sonas e ensión y corriene (Fig. 5.7). Osciloscopio Sona Fig Imagen el osciloscopio y una sona e ensión Oro osciloscopio uilizao y que es imporane e reseñar es el osciloscopio con enraas para las señales e isparo e los IGBT s, el moelo DS5D e la empresa RIGOL, que es un osciloscopio igial (Fig. 5.8). Análisis y iseño e un recificaor rifásico elevaor PWM Página 57

59 Valiación experimenal Fig Osciloscopio RIGOL DS5D Las señales e isparo son ransformaas para que sean legibles por icho osciloscopio. Esa ransformación se realiza gracias al circuio inegrao e la Fig Señales e isparo Señales e enraa al osciloscopio Fig Imagen el circuio inegrao para la aecuación e las señales e isparo 5... Meoología experimenal La implemenación experimenal se hará a la frecuencia e la re, que en oo momeno es e 5Hz. La ensión que se uiliza es e 58V eficaces e ensión e fase. La frecuencia e conmuación e los IGBT s es e 5kHz. Se realizan meias e las señales e isparo e los IGBT s, así como e la ensión coninua a la salia el recificaor y la ensión y corriene e una e las fases e enraa al mismo. Anes e poner en marcha los equipos es necesario cargar el moelo eseao en el DSP. Para ello, se realiza el moelo en Malab y se carga en el procesaor. Para realizar ese volcao es necesario un programa que ranscribe el moelo a lenguaje C, e eso se encarga Malab. También es necesario ranscribir el cóigo C a lenguaje ensamblaor. Para ello se uiliza Análisis y iseño e un recificaor rifásico elevaor PWM Página 58

60 Valiación experimenal el programa Coe Composer Suio, que lo ransfiere meiane conexión paralelo al procesaor. El principal inconveniene que se enconró a la hora e conruir el moelo en Simulink es que el DSP rabaja en coma fija, como se ijo en el aparao 5...c. Por ello es necesario pasar caa bloque e Simulink, que inicialmene esán programaos en un ipo e ao ouble (oble precisión), a un ipo e ao en coma fija (fixe poin, en inglés). El moelo que se consruye en Simulink pare el esquema e la Fig. 5., que se uilizó en varias pruebas para comprobar el correco iseño. Fig. 5.. Esquema el moelo e paria para los procesos experimenales Basa con susiuir el bloque Simcoupler por un bloque e aquisición e aos que enran en el DSP con enraas analógicas (Fig. 5.). Fig. 5.. Bloque e Simulink para enraas analógicas en el DSP De ese bloque salrán los valores e la ensión e una e las fases, Va en la Fig. 5.. Análisis y iseño e un recificaor rifásico elevaor PWM Página 59

61 Valiación experimenal Aemás es necesario oro bloque que genere las señales PWM (Fig. 5.) para los isparos e los IGBT s a parir e los ciclos e rabajo. Fig. 5.. Bloque e Simulink que genera señales PWM Ambos bloques se encuenran en la librería e Simulink. Toos los bloques el moelo e paria se ransforman a coma fija e manera más o menos sencilla, salvo el PLL. No se ha enio acceso a una librería e Simulink que isponga e un bloque PLL en coma fija, así que se ha enio que iseñar un bloque que calculase el ángulo (la fase) e una ona e enraa, oo ello en coma fija. 5.. Resulaos experimenales 5... Valiación el PLL Para comprobar que el PLL iseñao es válio se realizó un moelo en el que se incluía un filro paso bana, que filra la ona e ensión. Ese filro es necesario ya que la señal que le iene que llegar al DSP ha e ser una señal limpia, sin ruio. Primeramene se realizó un moelo con una frecuencia e conmuación e los IGBT s e khz (Fig. 5.). Fig. 5.. Moelo e bloques en Simulink para la comprobación el PLL Análisis y iseño e un recificaor rifásico elevaor PWM Página 6

62 Valiación experimenal El bloque filro_ouble realiza un filrao a 5Hz e la señal que proviene e la DSP, ya que ésa puee conener ruio y armónicos. La señal filraa pasa al bloque looking for he max que proporciona una señal binaria al enconrar un máximo (o un mínimo) e la señal filraa, es ecir, la salia e ese bloque (flag), iene valor cuano encuenra un máximo o un mínimo y es en el reso e los casos. Dicha señal flag juno con la señal filraa se inroucen en el bloque e ajuse, ajus_block, que proporciona una señal comprenia enre y - para el correco funcionamieno el PLL, ese bloque PLL calcula a su salia el ángulo e la señal e enraa. Por úlimo, y para comprobar el funcionamieno e ese moelo, el ángulo calculao se inrouce en el bloque pll_swich para obener a su salia una señal PWM, epenieno e los valores que se hayan inroucio en su inerior. Se hace que el PWM se acive cuano el ángulo esé comprenio enre y π/4 (Fig. 5.4). Fig Ona e ensión e enraa y acivación el PLL cuano <θ<π/4 5.5). Se aciva la señal PWM si el ángulo se encuenra enre π/4 y π/ (Fig. Análisis y iseño e un recificaor rifásico elevaor PWM Página 6

63 Valiación experimenal Fig Ona e ensión e enraa y acivación el PLL cuano π/4<θ< π/ Ampliano la zona e inerés se obiene la Fig Fig Ampliación e la ona e ensión y acivación el PLL cuano π/4<θ< π/ Si se sigue ampliano aun más, se puee observar el ciclo e rabajo e la señal PWM (Fig. 5.7). Análisis y iseño e un recificaor rifásico elevaor PWM Página 6

64 Valiación experimenal Fig Ampliación e la ona e ensión y acivación el PLL En la Fig. 5.7 se observa la señal e enraa en amarillo y la señal PWM en azul, se observa en ésa úlima claramene el ciclo e rabajo, que en ese caso iene un valor el %, como se había ajusao en el bloque pll_swich. Realizano el mismo moelo para una frecuencia e conmuación e 5kHz se obienen los mismos resulaos. Eso es, se puee realizar el conrol con una frecuencia e isparo e los IGBT s menor, con lo que eso se rauce en un mayor iempo e cálculo para realizar las operaciones corresponienes. En la Fig. 5.8 se muesra el resulao obenio. Análisis y iseño e un recificaor rifásico elevaor PWM Página 6

65 Valiación experimenal Fig Ona e ensión e enraa y acivación el PLL cuano <θ<π/4 Se observa que la señal PWM se aciva en ra y eja e hacerlo en π/ra, como se le había inicao en el bloque pll_swich Valiación el recificaor Una vez obenios oos los bloques en coma fija, se pasa a realizar las iferenes pruebas. Primeramene se realiza una prueba con el recificaor sin conrol, es ecir, como si se raase e un recificaor e ioos. Fig Tensión y corriene e enraa e una e las fases en el recificaor no conrolao Si se compara la imagen e la Fig. 5.9, omaa por el osciloscopio, con la Fig. 4. se puee observar que prácicamene son iénicas. Análisis y iseño e un recificaor rifásico elevaor PWM Página 64

66 Valiación experimenal Una vez hecho eso, se pasa a implemenar el moelo con los ciclos e rabajo referenciaos a los ejes roaorios, y q, consanes. Ese moelo no ispone e ningún conrol, así que lo que se busca con esa implemenación es la respuesa en régimen permanene el recificaor. Se realiza una prueba con los ciclos e rabajo que ieron en el aparao e simulación un facor e poencia unia. El resulao es el mosrao en la Fig. 5.. Fig. 5.. Tensión e enraa, corriene e enraa y ensión e salia el recificaor En la Fig. 5. se observa en color vere el valor e la ensión e una e las fases e enraa al recificaor y en amarillo la corriene e esa misma fase. Se puee ver que esán en fase, lo que quiere ecir que el facor e poencia es uniario. Por oro lao, en color morao, esá la ensión a la salia el recificaor que, como se observa, es prácicamene consane. Si se regisran los isparos e los IGBT s para esa implemenación se puee ver cómo funciona la moulación PWM (Fig. 5.). Análisis y iseño e un recificaor rifásico elevaor PWM Página 65

67 Valiación experimenal Fig. 5.. Señales e los isparos e los IGBT s para un facor e poencia unia En la Fig. 5., las señales D y D perenecen a la fase a, D y D4 a la fase b y D5 y D6 a la fase c. Como se aprecia, nunca esán en conucción os IGBT s a la vez, ya que en caso conrario se prouciría un corocircuio. Esa figura a senio a la visa en el aparao 4., la Fig. 4., que muesra cómo evolucionan los ciclos e rabajo en función e la ensión e enraa. Al igual que en el aparao e simulación, espués e obener un facor e poencia unia se pasa a obener un facor e poencia isino. Se realizó una prueba para obener un facor e poencia inucivo. Más concreamene, para obener un esfase e º enre la corriene y la ensión e enraa. El resulao fue el que se observa en la Fig. 5.. Análisis y iseño e un recificaor rifásico elevaor PWM Página 66

68 Valiación experimenal Fig. 5.. Corriene y ensión a la enraa el recificaor, con facor e poencia inucivo Se aprecia el esfase enre la ensión, en color azul, y la corriene, en color naranja. La corriene sigue a la ensión con un reraso, luego el facor e poencia a la enraa es inucivo. Si se amplía la zona e paso por cero e las onas se puee llegar a observar que icho esfase es e º (Fig. 5.). Fig. 5.. Ampliación e la corriene y ensión a la enraa el recificaor, comporamieno inucivo Por úlimo, se implemenó el moelo con conrol e corriene, inroucieno las corrienes e referencia en los ejes e referencia Análisis y iseño e un recificaor rifásico elevaor PWM Página 67

69 Valiación experimenal giraorios, i e iq, para poseriormene realizar la implemenación el moelo con conrol e ensión incluio. Al arrancar el programa con el lazo e conrol e corriene se proujeron unos ransiorios en la corriene e enraa e valor muy alo que hicieron salar las proecciones e la fuene rifásica. Ese ransiorio en la corriene e enraa se puee apreciar en la Fig. 5.4, en color morao. Fig Transiorio en la corriene e enraa al recificaor Como se observa, la corriene es la habiual anes e poner en marcha el DSP, y una vez acivaa la lógica e los isparos icha corriene se ispara hasa alcanzar el valor límie e las proecciones e la fuene rifásica, hacieno salar las mismas. Tras varias pruebas, no se ha conseguio isminuir esos ransiorios con lo que no se ha poio realizar las corresponienes implemenaciones experimenales el recificaor compleamene conrolao. Análisis y iseño e un recificaor rifásico elevaor PWM Página 68