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Repositorio de la Universidad de Zaragoza – Zaguan http://zaguan.unizar.es Proyecto Fin de Carrera Aplicación didáctica para el estudio de topologías y técnicas de control clásicas dedicadas a la conversión DC-AC en electrónica de potencia Autor Diego Salas Forns Director D. Francisco José Pérez Cebolla MEMORIA (1/2) Escuela de Ingeniería y Arquitectura Septiembre 2014 RESUMEN Con este proyecto se pretende dotar a los estudiantes noveles en electrónica de potencia de una herramienta didáctica, la cual les ayude a comprender el comportamiento de las topologías y de las técnicas de control clásicas empleadas en la conversión de continua a alterna (DC-AC). Inicialmente se realiza un estudio y análisis de las topologías y las técnicas de control más comúnmente estudiadas en los primeros cursos de ingeniería. Una vez hecho este estudio se procede a la selección de los circuitos inversores y las técnicas de control que se van a estudiar a lo largo del proyecto. A continuación se simulan estos sistemas (topología inversora y etapa de control) mediante dos programas informáticos ampliamente empleados por los estudiantes de grados de ingeniería relacionados directa o indirectamente con el control de sistemas y la electrónica de potencia. Estos programas son MATLAB, junto con el entorno gráfico para la simulación de sistemas Simulink, y PSpice. Posteriormente se diseña una interfaz gráfica de usuario para gestionar esas simulaciones. Esta interfaz debe: a) ser creada en MATLAB usando el código de programación GUI; b) resultar para el usuario sencilla e intuitiva de utilizar; c) permitir actuar sobre los parámetros de control y entrada del convertidor; d) incluir un osciloscopio virtual donde se representen las tensiones y corrientes más significativas de la topología bajo estudio; e) disponer de documentos de ayuda donde se describa el comportamiento teórico de cada topología en función de la técnica de control aplicada. También se crea un archivo con formato Excel donde se incluyen algunos cálculos adicionales complementarios de cada tipo de etapa inversora. Por último, y como objeto final del proyecto, se genera un archivo con formato PDF donde se agrupan todos los archivos de simulación y de documentación del proyecto a los que se accede mediante enlaces directos que se encuentran en dicho archivo. AGRADECIMIENTOS En primer lugar deseo expresar mi gratitud a los directores de este proyecto, D. Francisco José Pérez Cebolla y D. Badacsonyi Ferenc, tanto por su interés y recomendaciones como por el trato recibido y el tiempo dedicado. Igualmente quiero agradecer a la EINA por estos años de formación y a la Obuda University de Budapest (Hungría) por poder realizar gran parte de este proyecto aprovechando mi estancia ERASMUS en dicha universidad. A mis padres, Fabián y María José, por mostrarme en todo momento y de manera incondicional su apoyo y confianza. A mis amigos y compañeros, especialmente a los que he conocido a lo largo de estos años de estudiante universitario. También me gustaría mencionar y agradecer a los profesores y personal de diferentes áreas de la universidad. En general, a todos los que han puesto su granito de arena. A todos ellos, gracias. ÍNDICE 1 INTRODUCCIÓN ..................................................................................................................... 1 1.1 OBJETO .......................................................................................................................... 1 1.2 ALCANCE ........................................................................................................................ 1 1.3 ANTECEDENTES Y CONTEXTO ........................................................................................ 2 1.4 CONTENIDO ................................................................................................................... 3 1.5 ESTADO DE LA CIENCIA ................................................................................................. 3 2 PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO DE LOS CIRCUITOS INVERSORES: CONCEPTOS GENERALES .................................................................................................................................... 4 2.1 PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO DE UN CIRCUITO INVERSOR SIMPLE ....................... 4 2.2 CONCEPTOS TEORICOS IMPORTANTES ......................................................................... 6 2.3 ANÁLISIS DE LAS SERIES DE FOURIER ............................................................................ 7 2.4 DISTORSIÓN ARMÓNICA TOTAL .................................................................................... 8 3 TOPOLOGÍAS Y TÉCNICAS DE CONTROL ................................................................................ 8 3.1 TOPOLOGÍAS: CIRCUITOS INVERSORES ......................................................................... 8 3.1.1 CIRCUITOS INVERSORES DE MEDIA ONDA ............................................................ 9 3.1.2 CIRCUITOS INVERSORES DE ONDA COMPLETA ................................................... 10 3.1.3 CIRCUITOS INVERSORES TRIFÁSICOS ................................................................... 10 3.1.4 CIRCUITOS INVERSORES PUSH-PULL ................................................................... 11 3.1.5 CIRCUITOS INVERSORES EN CASCADA ................................................................ 11 3.1.6 CIRCUITOS INVERSORES NEUTRAL-POINT-CLAMPED (NPC) ............................... 13 3.1.7 CIRCUITOS INVERSORES FLYING-CAPACITOR (FC)............................................... 15 3.2 TÉCNICAS DE CONTROL: CONCEPTOS GENERALES ..................................................... 16 3.2.1 CONTROL DE ONDA CUADRADA ......................................................................... 16 3.2.2 CONTROL PWM ................................................................................................... 17 3.2.2.1 CONTROL PWM BIPOLAR ................................................................................ 19 3.2.2.2 CONTROL PWM UNIPOLAR ............................................................................. 20 3.2.3 CONTROL CON CANCELACIÓN PROGRAMADA DE ARMÓNICOS ........................ 21 3.2.4 CONTROL POR HISTERESIS .................................................................................. 22 3.2.5 CONTROLES PARTICULARES ................................................................................ 22 3.3 ELECCIÓN DE LOS CIRCUITOS INVERSORES A ESTUDIAR EN ESTE PROYECTO ............ 25 4 HERRAMIENTA DIDÁCTICA: APLICACIÓN GRAFICA PARA EL ANÁLISIS Y SIMULACIÓN DE LOS INVERSORES ......................................................................................................................... 26 4.1 SIMULACIÓN DE LOS CIRCUITOS INVERSORES ............................................................ 26 4.1.1 PRINCIPALES CARACTERÍSTICAS DE LA HERRAMIENTA SIMULINK DE MATLAB .. 27 4.1.2 SIMULACIÓN MEDIANTE LA HERRAMIENTA SIMULINK MATLAB ....................... 27 4.1.3 PRINCIPALES CARACTERÍSTICAS DEL PROGRAMA PSpice. .................................. 29 4.1.4 SIMULACIÓN MEDIANTE PSpice. ......................................................................... 30 4.2 INTERFAZ GRAFICA CREADA CON LA HERRAMIENTA GUIDE DEL PROGRAMA DE SIMULACION MATLAB ............................................................................................................. 32 4.3 ARCHIVO “IS_Tables.xls” ............................................................................................. 39 4.4 ARCHIVO “INVERTER SIMULATIONS APPLICATION.pdf” ............................................. 40 4.5 RESUMEN DEL FUNCIONAMIENTO GENERAL DE LA HERRAMIENTA DIDÁCTICA ....... 44 5 CONCLUSIONES ................................................................................................................... 45 5.1 LINEAS FUTURAS ......................................................................................................... 45 6 BIBLIOGRAFÍA ...................................................................................................................... 47 ANEXOS ANEXO I: WORKING PRINCIPLE OF INVERTER CIRCUITS. STUDY OF CLASSICAL TOPOLOGIES AND CONTROL TECHNIQUES DEDICATED TO DC-AC TRANSFORMATION IN POWER ELECTRONIC. ANEXO II: DESCRIPTION OF THE COMPUTER PROGRAM MATLAB AND SIMULATION OFINVERTER CIRCUITS WITH SIMULINK MATLAB. ANEXO III: DESCRIPTION OF THE PSPICE COMPUTER PROGRAM AND SIMULATION OF INVERTERS WITH PSPICE. ANEXO IV: DESCRIPTION OF THE GUIDE MATLAB COMPUTER PROGRAM. ANEXO V: PROGRAMMING CODE GUIDE MATLAB TO CREATE THE INTERFACE. ÍNDICE DE TABLAS Tabla 1 Control Cascade Full-Bridge (2 niveles) .......................................................................... 23 Tabla 2 Control Cascade Full-Bridge (4 niveles) .......................................................................... 23 Tabla 3 Control NPC .................................................................................................................... 23 Tabla 4 Control NPC (5 niveles) ................................................................................................... 23 Tabla 5 Control NPC trifásico ...................................................................................................... 24 Tabla 6 Control FC (5 niveles) ...................................................................................................... 24 Tabla 7 Control FC trifásico (3 niveles) ........................................................................................ 25 Tabla 8 Selección de circuitos inversores .................................................................................... 26 Diego Salas Forns 4 ejemplo el “Seminario interactivo de electrónica de potencia (iPES)” del profesor Kolar del ETH de Zurich [1]. Esta aplicación citada se centra principalmente en convertidores AC-DC (rectificadores) y convertidores DC-DC. Esta aplicación citada, parte con la ventaja de poder usarse mediante una página web, y se puede proporcionar mediante un solo link, sin necesidad de tener instalado en la computadora ningún software para su uso. Pero como factor diferenciador de las ventajas que posee la herramienta creada en este proyecto se tiene: - Se apoya detrás de unos potentes programas informáticos con las herramientas y opciones necesarias para un completo análisis teórico del circuito, como PSpIce o MATLAB. - Se pueden modificar todos los parámetros de entrada y de control y observar tanto gráficamente como en forma de parámetros numéricos todos los datos de salidas posibles así como opciones de ayudas teóricas complementarias para el usuario. - Al tratarse de una aplicación didáctica creada con dos de los programas más comúnmente usados en ingeniería para analizar este tipo de circuitos convertidores, se proporciona al usuario una fácil familiarización con estos. 2 PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO DE LOS CIRCUITOS INVERSORES: CONCEPTOS GENERALES Para empezar con el estudio de los diferentes tipos de circuitos convertidores alimentados mediante fuentes de corriente continua (DC) se va a realizar el estudio del circuito inversor más sencillo: Puente inversor monofásico de media onda con control de onda cuadrada. Este ejemplo nos va a servir de base para una comprensión adecuada de todos los métodos de control que se estudiarán después. 2.1 PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO DE UN CIRCUITO INVERSOR SIMPLE En la figura 1 se puede observar este circuito inversor. Se debe saber que en este tipo de inversor hay dos interruptores semiconductores de potencia ideales, y la dirección del flujo de corriente se señala mediante la fecha dibujada. La existencia de dos condensadores provoca que la tensión se divida en la entrada en 2 partes iguales [2]. Diego Salas Forns 5 Figura 1 Circuito inversor monofásico de media onda Si: TA+ está ON, durante T/2 (180º) → 2 0 Vcc VA TAestá ON, durante el otro T/2 (180º) → 2 0 Vcc VA En la figura 2 se muestra las formas de onda de las tensiones en los transistores ideales, así como también la tensión de salida en la carga: Figura 2 Técnica de control de onda cuadrada TA+ y TAno tienen que trabajar al mismo tiempo, con el fin de no provocar ningún cortocircuito. Por esta razón, es necesario aplicar un “tiempo muerto” o también llamado “blanking-time” entre la conexión del primer interruptor ideal y la conexión del segundo. Dependiendo del tipo de carga que se encuentre a la salida: - Si la carga es solo resistiva, por los diodos posicionados en anti-paralelo con los interruptores nunca circulan corriente, ya que cuando la tensión aplicada a la carga es positiva, la corriente es positiva y cuando la tensión es negativa, la corriente es negativa. Por lo tanto siempre se encuentran en fase. Diego Salas Forns 6 - Si la carga es óhmico-inductiva, los diodos posicionados en anti-paralelo con los interruptores conducen porque la tensión y la intensidad están en fuera de fase la una con la otra. - El semiconductor (interruptor) tiene que resistir una tensión inversa igual a la tensión de entrada VCC. 2.2 CONCEPTOS TEORICOS IMPORTANTES Los siguientes conceptos son suficientemente conocidos pero se van a recordar las ecuaciones correspondientes a cada uno de ellos [3-4]: - Tensión eficaz (RMS) entre A y O: 24 22 0 0 2CC T CC AV dt V T V  (2.1) Siendo VCC la tensión de entrada y T el periodo. - Amplitud de la componente fundamental:          2 273,1 2 4 ˆ01 CCCC AVV V  (2.2) - Amplitud de los armónicos:     h A V A Vh0 ˆ1 0 ˆ (2.3) Siendo h el número de armónico, con h=1, 3, 5… - VA0 se puede expresar como series de Fourier:   thsen V hh VCC A·· 2 ,...5,3,1 · 4 0       (2.4) Donde  es la frecuencia  =2  f. Cuando la carga está formada por una resistencia y una inductancia en serie, el tiempo de conducción de los interruptores varía desde 90º hasta 180º, siendo fijado este valor por los ángulos de fase de la carga. La circulación de la intensidad a través de la carga, formada por una resistencia y una inductancia, puede ser obtenida desde la siguiente expresión:       h Lhsen LfR V hh iCC O     ·· 2 )··( 2 1 2 ,...5,3,1 · 4 (2.5) Diego Salas Forns 7 Donde L es la inductancia, R es la resistencia y:         R Lh arctg h··   (2.6) Si se denota IO1 al valor eficaz de la componente fundamental de la corriente que circula por la carga, la potencia consumida, debido a que esa componente (h=1), puede ser calculada como: R Lh R V h R I IVP CC OOO · )··( 2 · 2 1 2· 4 2 12 · 2 )·cos(· 01 1111           (2.7) 2.3 ANÁLISIS DE LAS SERIES DE FOURIER Para analizar la corriente que circula por la carga y calcular la potencia absorbida por ella, se usa la descomposición frecuencial de las series de Fourier [2-4]. Es conveniente expresar la tensión y la corriente que atraviesa la carga en términos de series de Fourier. Si no hay componente continua (DC) en la salida, entonces se tiene:   hhO thsen hVtV      ··· 1 )( (2.8) Y   hhO thsenI h tI      ··· 1 )( (2.9) La potencia absorbida por la carga con una resistencia en serie se calcula como R Irms · 2 , donde la corriente eficaz (RMS) puede ser determinada desde la correspondiente corriente eficaz (RMS) dada por cada componente de las series de Fourier: 2 2 1 , 2 1                  h h I h rmsI h rms I (2.10) Con: h h hZ V I (2.11) Y Zh es la impedancia de la carga para el armónico n. De manera parecida, puede ser determinada la potencia absorbida en la resistencia de carga para cada frecuencia en las series de Fourier. La potencia total se determina mediante: Diego Salas Forns 8        1 2 · 1, nIR nPP rmshn (2.12) Y: rmsh I, es 2/ h I . En caso de una onda cuadrada, las series de Fourier contienen los armónicos impares, y pueden ser calculados como:   )··( , 4 )( 0thsen imparesh h V tV CC      (2.13) 2.4 DISTORSIÓN ARMÓNICA TOTAL Generalmente, para todos los circuitos inversores es muy importante conocer y controlar la calidad de señales de salidas alternas de la tensión y de la corriente [3-4]. La calidad de una onda no sinusoidal puede ser expresada en términos del factor DAT o THD (Tasa de Distorsión Armónica). Asumiendo que no hay componente continua (DC) en la salida, se tiene: rms rmsrms rms rmsh V VV V hV THD ,1 ,1 ,1 ,22 2 2 )(       (2.14) El THD de la corriente se calcula de la misma manera que el de la tensión sustituyendo las tensiones por las intensidades en la formula (2.14). El THD de la corriente en la carga es de mayor interés que el de la tensión a la salida. Como se puede observar, es necesario utilizar el análisis de las series de Fourier para el cálculo del factor THD. 3 TOPOLOGÍAS Y TÉCNICAS DE CONTROL Atendiendo al fin didáctico que se ha marcado en la introducción de este proyecto, y siendo consciente de que los alumnos de los primeros cursos de ingeniería serían los principales usuarios de esta herramienta, se han seleccionado las topologías y técnicas de control más comúnmente estudiadas, empezando por las más sencillas e incrementando cada vez más su dificultad, tanto de montaje como de técnicas de control. [2-4]. 3.1 TOPOLOGÍAS: CIRCUITOS INVERSORES Primero se va a estructurar los diferentes tipos de topologías de los circuitos inversores. Principalmente se diferencian por la disposición de los interruptores en los esquemas. Diego Salas Forns 9 Esta disposición de los interruptores es una característica determinante ya que según como estén dispuestos, junto a las técnicas de control y la tensión aplicadas en la entrada, son lo que caracterizan la salida resultante en la carga. A continuación se van a citar y explicar brevemente los circuitos inversores utilizados en el desarrollo de este proyecto, mostrando un esquema de cada uno de ellos. En el ANEXO I se encuentra un estudio más extenso, donde además del esquema, se hace un desarrollo matemático de las características más importantes, de las técnicas de control usadas y se muestran gráficas en las salidas (suponiendo una carga R-L). 3.1.1 CIRCUITOS INVERSORES DE MEDIA ONDA Como caso de circuito inversor monofásico más sencillo, se encuentran los circuitos inversores de media onda. En la figura 3 se puede observar el esquema del circuito. Solo se dispone de dos interruptores que son activados respectivamente uno cada medio ciclo. VCC es la tensión continua de entrada y se supone una carga R-L. Figura 3 Circuito inversor monofásico de media onda También se encuentran los circuitos inversores asimétricos de media onda que, como se puede observar en la figura 4, la única diferencia radica en la disposición de la carga, que en lugar de colocarse entre el punto medio de los interruptores y el punto medio de los condensadores de entrada, se dispone entre los bornes de uno de los interruptores. Figura 4 Circuito inversor monofásico asimétrico de media onda Diego Salas Forns 10 3.1.2 CIRCUITOS INVERSORES DE ONDA COMPLETA En la figura 5 se dibuja el esquema de los circuitos inversores monofásicos de onda completa. El circuito consta de 4 interruptores dispuestos en dos ramas paralelas, dos en cada uno de ellas. El principio de funcionamiento consiste en activar los interruptores dos a dos cada medio ciclo, siendo activados, por ejemplo, la primera mitad del ciclo los interruptores A+ y By en la segunda mitad del ciclo Ay B+. La carga está situada entre medio de los dos puntos intermedios de cada una de las dos ramas de interruptores. Figura 5 Circuito inversor monofásico de onda completa Esta alternancia de activación de los interruptores es la misma para todas las técnicas de control excepto para los casos de cancelación de armónicos y PWM unipolar (donde las ramas se controlan de manera independiente), los cuales se explican en puntos posteriores de este proyecto: Tanto en el ANEXO I de una manera más detallada como en el punto 3.2 de la memoria. 3.1.3 CIRCUITOS INVERSORES TRIFÁSICOS Siguiendo el principio de funcionamiento del circuito inversor anterior se encuentran los inversores trifásicos, que consisten en extrapolar el circuito monofásico en otro con tres fases, las cuales están desfasadas 120º cada una de ellas respectivamente [5]. En la figura 6 se puede observar el esquema de los interruptores. Hay tres ramas de 2 interruptores en cada una. Cada uno de los dos interruptores de una rama se activa cada medio ciclo, como en el caso de los circuitos inversores monofásicos de media onda. Y las otras dos ramas tienen el mismo sistema de activación pero desfasadas 120º cada una de ellas respectivamente. En la figura 6 la carga del inversor se encuentra conectada en estrella, mientras que en la figura 7 se encuentra en triangulo [5]. Figura 6 Circuito inversor trifásico con carga en estrella Diego Salas Forns 11 Figura 7 Circuito inversor trifásico con carga en triangulo 3.1.4 CIRCUITOS INVERSORES PUSH-PULL Los inversores Push-Pull están formados por dos interruptores y una bobina monofásica formada por dos devanados del mismo número de espiras en el primario y un devanado en el secundario. En la figura 8 se observa el esquema del circuito [4]. La ventaja de este inversor radica en que solo se utilizan dos interruptores y ambos están conectados directamente a tierra, por lo que facilita su control. Aunque este tipo de inversores se usan para aplicaciones de baja potencia. La función principal de la bobina consiste en proporcionar aislamiento entre la tensión de entrada y la tensión de salida. Además posee una inductancia magnetizante propia del transformador que como tal no es un parámetro de diseño. Figura 8 Circuito inversor monofásico Push-Pull 3.1.5 CIRCUITOS INVERSORES EN CASCADA Los circuitos inversores en cascada consisten en la unión de circuitos monofásicos con fuentes de continua separadas de 4 interruptores, dos por rama. Se unen por los puntos medios de una de las ramas. El número de circuitos monofásicos que se unen depende de los niveles de tensión que se quieran obtener a la salida. A mayor número de niveles, mayor precisión sinusoidal tendrá la forma de onda de la corriente en la salida pero también mayor complejidad del circuito y mayor coste [3]. También se puede disponer los circuitos de tal forma que se forme un circuito inversor trifásico, como se expone a continuación. Diego Salas Forns 12 Para obtener el circuito inversor monofásico Cascade Full-Bridge de 2 niveles se unen dos circuitos monofásicos tal y como se muestra en la figura 9. Con esta disposición, a la salida en la carga se obtienen dos niveles en la onda de tensión. Figura 9 Circuito inversor monofásico Cascade Full-Bridge (2 niveles) Mientras que para obtener el circuito inversor monofásico Cascade Full-Bridge de 4 niveles se tienen que unir 4 circuitos monofásicos, como se puede observar en la figura 10. Figura 10 Circuito inversor monofásico Cascade Full-Bridge (4 niveles) Diego Salas Forns 13 Por último, para el circuito inversor trifásico Cascade Full-Bridge de 3 niveles, solo hace falta la implementación de tres circuitos, pero se consigue obtener una carga trifásica a la salida, tal y como se observa en la figura 11. Figura 11 Circuito inversor trifásico Cascade Full-Bridge (3 niveles) 3.1.6 CIRCUITOS INVERSORES NEUTRAL-POINT-CLAMPED (NPC) El factor diferenciador de los circuitos inversores NPC a nivel esquemático radica en los diodos que se implementan en ellos. Estos diodos fijan las tensiones de bloqueo de los interruptores a una fracción de la tensión de bus de continua de entrada [3]. A continuación se van a comentar los 3 circuitos inversores NPC que se han estudiado en este proyecto. Para montar el circuito inversor monofásico NPC se disponen de los interruptores y de las fuentes de tensión tal y como se ve en la figura 12 y en el punto O se unen dos diodos para fijar las tensiones de bloqueo de los interruptores, en este caso en VCC/2. Figura 12 Circuito inversor monofásico NPC Diego Salas Forns 20 3.2.2.2 CONTROL PWM UNIPOLAR Para una mejor explicación de la modulación PWM unipolar se va a realizar con un circuito inversor monofásico de onda completa, como el que aparece en la figura 19. Figura 19 Circuito inversor monofásico de onda completa En este caso habrá dos señales de referencia, inversas una respecto de la otra, como se observa en la figura 20. Figura 20 Control PWM Unipolar El funcionamiento consiste en el siguiente procedimiento: TA+ se activa cuando VSIN>VTRI TBse activa cuando –VSIN<VTRI TB+ se activa cuando –VSIN>VTRI TAse activa cuando VSIN<VTRI Diego Salas Forns 21 Por lo tanto, teniendo en cuenta que BAABoVVVV  , la forma de onda de la tensión en la salida queda como se observa en la última grafica de la figura 20, así como la forma de onda de la intensidad. 3.2.3 CONTROL CON CANCELACIÓN PROGRAMADA DE ARMÓNICOS Este control se ha aplicado al circuito inversor monofásico de onda completa, que se puede observar en la figura 19. Este control consiste en el control de cada una de las dos ramas del circuito de manera independiente [2], [6]. En el control de onda cuadrada para un circuito inversor de onda completa (que se encuentra explicado en el ANEXO I) el desfase entre las dos ramas es de 180º, pero en este caso el desfase es de (180 °-α), como se observa en la figura 21. Figura 21 Control con cancelación programada de armónicos Si α=0 nos encontramos con el caso de modulación de onda cuadrada. El desfase marcado por el valor de α provoca que la señal de tensión en la salida tenga pasos por 0 continuados de valor 2 veces α. Dependiendo de ese valor, se puede conseguir anular los armónicos que se desee atendiendo a la igualdad: n º90   (3.4) Siendo n el número de armónico que se desee cancelar. n toma valores impares (n=1,3,5…). Diego Salas Forns 22 3.2.4 CONTROL POR HISTERESIS Este tipo de control se ha aplicado al circuito inversor trifásico de onda completa (VSI 6-Step), pero para explicar el principio de funcionamiento de este control se va a desarrollar a partir de la figura 22 [3]. Figura 22 Control por histéresis Primero se establece como referencia una señal sinusoidal, para que la salida de la corriente sea lo más parecida posible a esta. Una vez que se tenga esta señal, se establecen otras dos señales, una con un ligero aumento de la amplitud respecto a la de referencia (banda superior) y la otra con una ligera acortación (banda inferior). A la diferencia entre estas dos ultimas se le llama banda histeresis. Cuando la corriente real es igual a alguno de los limites de la banda, la tensión se invierte y por lo tanto la corriente real también lo hace. Cumpliendo con esto se obtiene una señal de corriente en la carga parecida a la señal de referencia, como se observa en la figura 22. 3.2.5 CONTROLES PARTICULARES Los convertidores DC-AC Cascade Full-Bridge, NPC y FC poseen cada uno de ellos un control específico de activación de los interruptores. A continuación se van a enumerar los diferentes tipos de circuitos con sus respectivas tablas de control donde aparecen los periodos de activación de cada interruptor [3]. Diego Salas Forns 23 - Circuito inversor monofásico Cascade Full-Bridge (2 niveles) INTERRUPTORES CERRADOS VOLTAJE VAO S2, S3, S6, S8 {Vcc} S2, S3, S6, S7 {2 Vcc} Todos abiertos 0 S1, S4, S6, S8 {-Vcc} S1, S4, S5, S8 {-2 Vcc} Tabla 1 Control Cascade Full-Bridge (2 niveles) - Circuito inversor monofásico Cascade Full-Bridge (4 niveles) INTERRUPTORES CERRADOS VOLTAJE VAO S2, S3, S6, S8 {Vcc} S2, S3, S6, S7 {2 Vcc} Todos abiertos 0 S1, S4, S6, S8 {-Vcc} S1, S4, S5, S8 {-2 Vcc} Tabla 2 Control Cascade Full-Bridge (4 niveles) - Circuito trifásico monofásico Cascade Full-Bridge (3 niveles) Como este circuito está formado por 3 circuitos inversores monofásicos de onda completa, el control se realiza aplicando a cada uno de ellos el mismo control de manera independiente, pero con un desfase entre ellos de 120º respectivamente. - Circuito inversor monofásico NPC INTERRUPTORES CERRADOS VOLTAJE VAO S1, S22 {Vcc/2} S22, S11 0 S11, S2 {-Vcc/2} Tabla 3 Control NPC - Circuito inversor monofásico NPC (5 niveles) INTERRUPTORES CERRADOS VOLTAJE VAO S1, S2, S3, S4 {Vcc/2} S2, S3, S4, S1' {Vcc/4} S3, S4, S1', S2' 0 S4, S1', S2', S3' {-Vcc/4} S1', S2', S3', S4' {-Vcc/2} Tabla 4 Control NPC (5 niveles) Diego Salas Forns 24 Figura 23 Señal de tensión y activación de interruptores en circuito NPC (5 niveles) - Circuito inversor trifásico NPC INTERRUPTORES CERRADOS VOLTAJE VAO S1, S22 {Vcc/2} S22, S11 0 S11, S2 {-Vcc/2} Tabla 5 Control NPC trifásico Figura 24 Señal de tensión y activación de interruptores en circuito NPC trifásico - Circuito inversor monofásico FC (5 niveles) INTERRUPTORES CERRADOS VOLTAJE VAO S1, S2, S3, S4 {Vcc/2} S1, S2, S3, S1' o S2, S3, S4, S4' o S1, S3, S4, S3` {Vcc/4} S1, S2, S1', S2' o S3, S4, S3', S4' o S1, S3, S1', S3' o S1, S4, S2', S3' o S2, S4, S2', S4' o S2, S3, S1', S4' 0 S4, S1', S2', S3' {-Vcc/4} S1', S2', S3', S4' {-Vcc/2} Tabla 6 Control FC (5 niveles) Diego Salas Forns 25 - Circuito inversor trifásico FC (3 niveles) INTERRUPTORES CERRADOS VOLTAJE VAO S1, S22 {Vcc/2} S1, S11 o S22, S2 0 S11, S2 {-Vcc/2} Tabla 7 Control FC trifásico (3 niveles) 3.3 ELECCIÓN DE LOS CIRCUITOS INVERSORES A ESTUDIAR EN ESTE PROYECTO Una vez realizado un breve recorrido por los diferentes tipos de topologías y técnicas de control, atendiendo a los convertidores DC-AC más comúnmente estudiados en los primeros cursos de ingeniería, se ha realizado una selección de los circuitos inversores que se van a estudiar y simular a continuación. En la tabla 8 se encuentran, enumerados y diferenciados por categorías, todos los circuitos inversores seleccionados. Nº Nº DE FASES TIPO DE CIRCUITO INVERSOR TIPO DE CONTROL CARGA 1 MONOFÁSICO Media Onda Onda Cuadrada 2 MONOFÁSICO Media Onda PWM 3 MONOFÁSICO Asimétrico Onda Cuadrada 4 MONOFÁSICO Asimétrico PWM 5 MONOFÁSICO Onda Completa H-Bridge Onda Cuadrada 6 MONOFÁSICO Onda Completa H-Bridge Cancelación de armónicos 7 MONOFÁSICO Onda Completa H-Bridge PWM Bipolar 8 MONOFÁSICO Onda Completa H-Bridge PWM Unipolar 9 TRIFÁSICO VSI 6-Step Onda Cuadrada 10 TRIFÁSICO VSI 6-Step Onda Cuadrada 11 TRIFÁSICO VSI 6-Step PWM 12 TRIFÁSICO VSI 6-Step PWM 13 TRIFÁSICO VSI 6-Step Histéresis 14 MONOFÁSICO Push-Pull Onda Cuadrada 15 MONOFÁSICO Push-Pull PWM 16 MONOFÁSICO Cascade Full Bridge (2 Niveles) Especifico 17 MONOFÁSICO Cascade Full Bridge (4 Niveles) Especifico Diego Salas Forns 26 18 TRIFÁSICO Cascade Full Bridge (3 Niveles) Especifico 19 MONOFÁSICO NPC Especifico 20 MONOFÁSICO NPC (5 Niveles) Especifico 21 TRIFÁSICO NPC Especifico 22 MONOFÁSICO FC (5 Niveles) Especifico 23 TRIFÁSICO FC (3 Niveles) Especifico Tabla 8 Selección de circuitos inversores 4 HERRAMIENTA DIDÁCTICA: APLICACIÓN GRAFICA PARA EL ANÁLISIS Y SIMULACIÓN DE LOS INVERSORES Una vez hecha una introducción al mundo de los circuitos convertidores DC-AC y la selección de los circuitos que se van a desarrollar y simular, se procede al desarrollo de la herramienta didáctica que se ha marcado como objetivo de este proyecto. Primero se desarrolla el procedimiento del montaje de las simulaciones de los 23 circuitos inversores seleccionados mediante la herramienta Simulink del programa MATLAB y con el programa de simulación de circuitos eléctricos PSpice. Posteriormente se comenta la creación y el funcionamiento de la interfaz gráfica creada con la herramienta GUIDE de MATLAB, donde se puede simular, modificar y obtener parámetros de cualquiera de los 23 circuitos inversores simulados mediante Simulink. Como complemento al estudio de los convertidores seleccionados, se crea un archivo con formato Microsoft Excel, llamado “IS_Table.xls”, donde se realizan algunos cálculos adicionales que la interfaz gráfica no proporciona. Y como producto final, la creación de un archivo con formato PDF, llamado “INVERTER SIMULATIONS APPLICATION.pdf” donde se resume, en tres carillas, la herramienta didáctica con todas su diferentes partes, para que el alumno pueda usarlo con la ayuda de unas breves instrucciones de uso. Por último se crean unas instrucciones generales de uso que engloba a toda la herramienta didáctica. 4.1 SIMULACIÓN DE LOS CIRCUITOS INVERSORES Una vez seleccionados los 23 circuitos convertidores, se procede a la simulación mediante los 2 programas informáticos citados anteriormente. Diego Salas Forns 27 4.1.1 PRINCIPALES CARACTERÍSTICAS DE LA HERRAMIENTA SIMULINK DE MATLAB Simulink es una herramienta de simulación de modelos o sistemas, que ofrece un entorno gráfico de ventanas, que mediante diagrama de bloques se consigue realizar una simulación teórica de diferentes tipos de sistemas. Se puede obtener y observar la salida, tanto numérica como gráficamente, reduciendo así considerablemente el tiempo empleado en la construcción y prueba de un modelo del sistema. Simulink (Toolbox) es un entorno visual que se ejecuta en el entorno de programación MATLAB con un alto nivel de abstracción [7-8]. Se utiliza principalmente en temas relacionados con ingeniería eléctrica, especialmente con el procesamiento de señales digitales (DSP), involucrando temas específicos de ingeniería biomédica y telecomunicaciones, entre otros. También es ampliamente utilizado en Ingeniería y Sistemas de Control Automático. Está especialmente pensado para el análisis y diseño de sistemas de control, aunque es útil para todo tipo de sistema dinámico: lineal, no lineal, continuo, discreto o hibrido. MATLAB es un producto propiedad de "The Mathworks" y por lo tanto los usuarios están limitados y bloqueados por el vendedor. Aunque existe una herramienta adicional llamada MATLAB Builder para utilizar las funciones de MATLAB como archivos de biblioteca que se pueden utilizar para .NET o Java, la desventaja radica en que la aplicación requiere la instalación de MCR (Runtime Componente MATLAB) para que los archivos de MATLAB funcionen correctamente. MCR se puede distribuir libremente con los archivos de biblioteca generados por MATLAB Compiler. En este proyecto se intentó realizar un archivo con formato “.exe” de estas características para poder usar la aplicación creada sin tener la necesidad de instalar el programa, pero resulta incompatible al tener que llamar a simulaciones creadas con la herramienta Simulink MATLAB. En el ANEXO II se proporciona una lista de algunos programas que se presentan como alternativa a MATLAB, la mayoría de software libre. 4.1.2 SIMULACIÓN MEDIANTE LA HERRAMIENTA SIMULINK MATLAB A continuación se va a explicar brevemente como se ha realizado la simulación de un circuito simple, en este caso del circuito inversor monofásico de media onda que aparece en la figura 1, pero en el ANEXO II se encuentra un desarrollo más detallado de los 23 circuitos inversores con el programa Simulink de MATLAB, así como una breve descripción del programa y algunas instrucciones básicas para su uso y funcionamiento [7-9]. En las figuras 25 y 26 se observa el esquema definitivo del circuito en Simulink. En este esquema las entradas son: Diego Salas Forns 28 - La tensión continúa de entrada en DC Voltage Source y DC Voltage Source1. - La señal de control es introducida en Signal Generator, donde se introduce la forma de onda (en este caso onda cuadrada), su amplitud (5) y la frecuencia (50 Hz). Esta señal se manipula con el bloque Relay, el cual convierte esa señal en 1 o 0 dependiendo si es mayor o menor que el limite (4 o –4). Los interruptores se encuentran representados en la figura 26, dentro del subsystem que aparece en la figura 25, y la salida se trata de una carga R-L. Hay varios Displays instalados que muestran valores como el valor RMS de la tensión e intensidad de salida en la carga, sus valores de la tasa de distorsión armónica (THD) y el valor de la tensión de entrada. Para obtener las formas de onda tanto de las señales de control como los valores de la tensión e intensidad en la carga se disponen de unos Scopes instalados, que haciendo doble click sobre ellos, una vez ejecutada la simulación, se puede ven dichas formas de onda. Figura 25 Esquema Simulink del circuito inversor monofásico de media onda Diego Salas Forns 29 Figura 26 Subsistema del esquema Simulink del circuito inversor monofásico de media onda Haciendo doble clic en el Scope de salida (vred, ired), se obtienen las formas de onda de la corriente (línea amarilla) y de la tensión (línea morada) en la carga, como se muestra en la figura 27. Figura 27 Formas de onda a la salida del inversor monofásico de media onda en Simulink Para cada uno de los 23 circuitos inversores seleccionados se ha realizado un esquema en la herramienta Simulink MATLAB similar a la mostrada. 4.1.3 PRINCIPALES CARACTERÍSTICAS DEL PROGRAMA PSpice SPICE es un estándar internacional que tiene como objetivo simular circuitos electrónicos analógicos. Posee varios tipos de análisis, principalmente [10-11]: - DC – Función de transferencia. - AC – Respuesta en frecuencia de circuito. Diego Salas Forns 36 o bien abrir manualmente el archivo de simulación de Simulink al que corresponde el circuito que se está estudiando y observar que señales son las que están representadas. Figura 34 Interfaz gráfica GUIDE MATLAB 5 Y la gráfica situada en el margen inferior derecho (figura 35) se trata de la gráfica de salida en la carga, donde aparecen las formas de onda de la tensión y de la intensidad. Esta gráfica es de un tamaño mayor que la que representa el control del circuito ya que se considera más relevante. Figura 35 Interfaz gráfica GUIDE MATLAB 6 En la parte superior derecha de ambas gráficas se observa un botón llamado “ZOOM”, que al ser pulsados aparecen dichas gráficas en una ventana independiente, para poder ampliarlo de la forma de que el usuario desee. Los pasos a seguir para el manejo de esta herramienta son los siguientes: 1Primero se elige el circuito inversor que se desea estudiar y manipular, por ejemplo el “1Half-Wave Inverter (Square Wave Control)”. 2Una vez seleccionado se pulsa el botón “LOAD” para cargar unos parámetros iniciales. El usuario puede modificar los parámetros que han sido establecidos Diego Salas Forns 37 mediante números enteros y positivos, pero si se introduce un parámetro en cualquiera de las casillas donde no hay ningún numero el programa no se ejecutará y aparecerá una ventana de dialogo avisando que los valores introducidos son incorrectos. 3El siguiente paso es pulsar el botón “SIMULATION”, y tras esperar un periodo de tiempo acorde al tiempo de simulación establecido aparecerán en la interfaz todos los parámetros y gráficas comentados anteriormente. 4Y como pasos opcionales se pueden pulsar los botones restantes: a. Si se quiere observar las gráficas en ventanas independientes se pulsara al correspondiente botón de “ZOOM”. b. Si se quiere obtener algún tipo de ayuda (ya sea la teórica del circuito seleccionado como del control o de la salida en la carga) en una ventana independiente se pulsara a los botones que se han comentado anteriormente. c. El botón “PowerGUI” es una herramienta adicional que posee Simulink, donde el principal motivo por el que se ha implementado en la interfaz es obtener el análisis frecuencial de Fourier de cada una de las formas de onda de la salida en la carga. Una vez pulsado el botón “PowerGUI”, aparece una ventana emergente, después hay que pulsar el botón “FFT Analysis”, y seleccionando la forma de onda que se quiera estudiar, y pulsando el botón “Display”, aparece dicha gráfica, tal y como aparece en las figuras 36 y 37. Figura 36 Interfaz gráfica GUIDE MATLAB 7 Diego Salas Forns 38 Figura 37 Interfaz gráfica GUIDE MATLAB 8 d. Y por último, ya que no en todos los computadores donde está instalado el programa MATLAB se dispone de la herramienta PowerGUI, se ha decidido añadir a la interfaz gráfica un botón llamado “FFT” y una barra de selección, donde se puede seleccionar la señal de la que se quiere obtener el análisis frecuencial de Fourier. Por lo tanto, al pulsar dicho botón aparece en una ventana independiente el análisis frecuencial de la señal seleccionada sin necesidad de tener instalada la herramienta PowerGUI. Esto se puede observar en las figuras 38 y 39. Figura 38 Interfaz gráfica GUIDE MATLAB 9 Diego Salas Forns 39 Figura 39 Interfaz gráfica GUIDE MATLAB 10 Por último, en el margen superior derecha de la interfaz, aparece una leyenda donde describe cuales son las unidades de todos los parámetros disponibles, como se observa en la figura 40. Figura 40 Interfaz gráfica GUIDE MATLAB 11 4.3 ARCHIVO “IS_Tables.xls” Como complemento adicional para el estudio y el cálculo de los parámetros más relevantes de un circuito convertidor DC-AC, se ha creado un archivo Excel llamado “IS_Tables.xls” donde aparecen los siguientes cálculos para cada uno de los 23 circuitos inversores seleccionados: - Los primeros términos del desarrollo de Fourier tanto de la impedancia de la carga, como de la tensión e intensidad que circula por ella. - Los valores de las tasa de distorsión armónica de la tensión e intensidad a la salida. - Los valores eficaces de la tensión VRMS y V1,RMS. - Dependiendo del tipo de control, los parámetros ma, mf y el ángulo α. En la figura 41 se observa la ventana del dicho archivo para el circuito inversor número 1 (circuito inversor monofásico de media onda con control de onda cuadrada). Diego Salas Forns 40 Figura 42 Archivo “IS_Tables.xls” 4.4 ARCHIVO “INVERTER SIMULATIONS APPLICATION.pdf” Una vez explicadas y redactadas cada una de las partes de las que se compone este proyecto por separado se tiene: - Las simulaciones de los circuitos inversores realizadas con Simulink (MATLAB). - Las simulaciones de los circuitos inversores realizadas con PSpice. - La creación de una interfaz gráfica con la herramienta GUIDE de MATLAB la cual llama a las simulaciones realizadas con Simulink. - Un archivo adicional con formato EXCEL, llamado “IS_Tables.xls” donde aparecen algunos cálculos complementarios de cada uno de los 23 circuitos inversores. Con el objetivo de unificar todas estas partes en una sola se ha creado un archivo con formato PDF con el fin de proporcionar una mayor comodidad de manejo para el usuario y una rápida accesibilidad a todas las partes del proyecto por el mismo. El archivo se llama “INVERTER SIMULATIONS APPLICATION.pdf”, y posee una extensión de tres carillas. En ellas aparecen: - Una tabla donde se encuentran citados y enumerados cada uno de los 23 tipos de circuitos estudiados en este proyecto, así como un enlace directo para cada inversor que abre: i. La simulación realizada con Simulink (MATLAB). ii. La simulación realizada con PSpice. iii. La ayuda teórica complementaria. Diego Salas Forns 41 - Un enlace directo al archivo “IS_Tables.xls” - Los pasos a seguir para poder ejecutar la interfaz gráfica realizada con la herramienta GUIDE de MATLAB llamada “GUI Inverter Simulations”. - Enlaces directos a los ANEXOS de este proyecto con el fin de proporcionar una ayuda complementaria a los usuarios de la herramienta didáctica en caso de necesitarlo. El archivo llamado “INVERTER SIMULATIONS APPLICATION.pdf” queda de la siguiente forma (Figuras 42, 43 y 44): Figura 41 Archivo “INVERTER SIMULATIONS APPLICATION” Página 1 Diego Salas Forns 42 Figura 42 Archivo “INVERTER SIMULATIONS APPLICATION” Página 2 Diego Salas Forns 43 Figura 43 Archivo “INVERTER SIMULATIONS APPLICATION” Página 3 Si se hace click a alguno de los 4 botones que aparecen en la figura 45, se abre la correspondiente simulación, ayuda teórica, archivo “IS_Tables.xls” o ANEXO seleccionado. Figura 44 Botones de “INVERTER SIMULATIONS APPLICATION” Diego Salas Forns 44 4.5 RESUMEN DEL FUNCIONAMIENTO GENERAL DE LA HERRAMIENTA DIDÁCTICA Para que la herramienta didáctica al completo pueda ser ejecutada sin problemas en cualquier computador se tienen que cumplir los siguientes requisitos: - Tener instalado el programa MATLAB en el sistema operativo una versión igual o posterior a MATLAB 7.8 R2009b. - Tener instalado el programa PSpice en el sistema operativo una versión igual o posterior a OrCAD PSpice Full Version 9.2, también es válida la versión de estudiante. - Tener instalado el Microsoft Office, el Open Office o algún programa que sea capaz de ejecutar archivos con extensión “.xls” que sea capaz de abrir la versión 97-2003. Para la instalación de todos los archivos en el computador se tienen que seguir los siguientes pasos: - Introducir el CD, que viene con este proyecto, en el computador. - Seleccionar la carpeta llamada “Inverter Simulations Application” con el botón derecho >> Copiar. - Acceder a la unidad de disco C:\ del computador y hacer click derecho >> Pegar. - Acceder a dicha carpeta y ejecutar el archivo PDF llamado “INVERTER SIMULATIONS APPLICATION.pdf”. - Y así el usuario puede acceder a lo que desee dentro de la herramienta didáctica creada. Diego Salas Forns 45 5 CONCLUSIONES Este proyecto ha permitido la realización de una herramienta didáctica dirigida principalmente para los estudiantes de ingeniería, donde se puede realizar un completo análisis teórico de las diferentes topologías y técnicas de control de los convertidores DC-AC más comúnmente estudiados en las carreras de ingeniería. Una vez finalizada la memoria, se considera que se han cumplido los objetivos marcados al inicio de este proyecto, exceptuando algún tema que se comentará a continuación como líneas futuras para otros hipotéticos proyectos. Para ello, se ha llevado a cabo el estudio de todos los campos teóricos de los circuitos inversores clásicos. Empezando por un estudio teórico de cada inversor y técnica de control desarrollado en el ANEXO I, pasando por la simulación de cada uno de ellos en Simulink MATLAB y PSpice, así como la creación de una interfaz gráfica mediante GUIDE de MATLAB, y de un archivo Excel para realizar algunos cálculos complementarios necesarios. Todo esto resumido en un archivo PDF donde se pueden acceder a todos los archivos creados así como unas breves instrucciones para acceder a la interfaz gráfica. Como valoración personal, he de destacar que para la realización del proyecto he podido consolidar y aplicar los conocimientos que he ido adquiriendo durante la carrera de Ingeniería Industrial, especialmente con la mención de Sistemas Eléctricos. En particular con los programas informáticos utilizados en este proyecto, como son PSpice y MATLAB, en este último utilizando las herramientas de Simulink para las simulaciones y el lenguaje de programación para la creación de la interfaz con GUIDE. Finalmente, agradecer a la universidad de Zaragoza por las facilidades puestas para que todo esto se haya podido llevar a cabo, así como agradecer también a la universidad de Budapest, Obuda University. Especialmente a los tutores de ambas universidades, los cuales me han guiado a lo largo de todo este proyecto. 5.1 LINEAS FUTURAS A continuación se van a proponer algunas líneas futuras de cara a posibles nuevos proyectos para ampliar o complementar a este proyecto. Primero se propone, como complemento práctico, un estudio real en el laboratorio de dichas topologías y técnicas de control. Para ello se desarrollaría una plataforma que incluyera una tarjeta con un procesador digital de señal (DSP) de bajo coste que se comunique con el ordenador. Así, las señales de control que se generan con PSpice o en Simulink MATLAB se trasladan al DSP, y este actuaría directamente sobre los circuitos de excitación de los transistores de potencia. Este estudio se propuso inicialmente como uno de los objetivos de este proyecto, pero debido a la extensión del mismo y considerándola suficiente, se decidió no realizar esta parte.