Laboratorio de Sistemas Electrónicos de Control y Potencia

Laboratorio de Sistemas Electrónicos de Control y Potencia Inversor Trifásico

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Laboratorio de Sistemas Electrónicos de Control y Potencia

Práctica 2

Modulación PWM de un Inversor Trifásico


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1. OBJETIVO

En la presente práctica se pretende realizar la simulación de un inversor trifásico conmutado mediante la técnica de modulación PWM (Pulse Width Modulation) natural. Para ello se utilizará la versión 6 (Release 12) de Matlab, V6R12, que incorpora la Power Systems ToolBox, y que facilitará el desarrollo de las diversas configuraciones y simulaciones del inversor trifásico objeto de esta práctica. Tras finalizar la simulación, se procederá a comprobar el funcionamiento de un inversor trifásico real, con el objetivo de verificar y validar las simulaciones efectuadas durante la realización de la práctica. Ello servirá para establecer una correspondencia clara entre teoría, simulación y práctica, totalmente necesaria en el desarrollo de cualquier sistema real.

2. SIMULACIÓN DE UN INVERSOR TRIFÁSICO

El desarrollo de la práctica se llevará a cabo conforme al esquema propuesto en la figura 1, en la que se puede observar la configuración jerárquica necesaria para representar los diferentes bloques involucrados en la modulación PWM de un inversor trifásico.

Figura 1. Esquema general de simulación de un inversor trifásico.

Para entender mejor la forma de uso de los componentes de la Power Systems Toolbox, y su interconexión con el resto de elementos de simulink, en la figura 2 se muestra de forma esquemática la organización y división de componentes que podrán emplearse durante el desarrollo de la práctica.


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Figura 2. Componentes de las librerías de la Power Systems Toolbox.

Sin intención de realizar una explicación detallada sobre la forma de uso de cada uno de estos componentes, se destaca en este punto la necesidad de emplear elementos de medida (Measurements), ya sea de corriente o de tensión, para poder establecer la conexión entre simulink o el workspace de Matlab, y cualquier magnitud obtenida a partir de elementos de la Power Systems Toolbox, tal y como puede observarse en el esquema de la figura 1. Como puede observarse en dicha figura, el elemento fundamental del esquema es un inversor trifásico basado en IGBTs que se ha simulado mediante un único componente denotado por Universal Bridge. Dicho elemento podrá encontrarse en la librería Power Electronics correspondiente a la Power Systems Toolbox de Matlab V6R12.


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Por otro lado, el esquema se ha dividido de forma jerárquica en diferentes bloques (Subsystems) a partir de los cuales se realizan las siguientes funciones:

• Carga: implementa la carga trifásica R-L. • Señales moduladoras: genera las tres señales sinusoidales necesarias para

realizar la modulación PWM natural. • Modulación PWM: realiza la modulación PWM a partir de las señales

moduladoras. • Corriente de salida: proporciona una medida de las corrientes por las tres

fases de la carga del inversor. El esquema detallado propuesto para cada uno de los subsistemas anteriores se muestra en las siguientes secciones.

2.1. Subsistema: Carga

En la figura 3 se ilustra el esquema de carga propuesto para esta práctica. Como puede observarse, la carga es del tipo R-L (sus valores deberán ser introducidos manualmente desde la línea de órdenes de Matlab con anterioridad a la realización de la simulación). Para poder obtener una medida de la tensión en alguna de las ramas de salida, ya sea de línea o de fase, será necesario emplear un medidor de tensión, tal y como se ha recomendado con anterioridad.

Figura 3. Esquema del subsistema Carga.


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En la figura 3, aparece igualmente el elemento THD, necesario para poder obtener la distorsión armónica de tensión de la magnitud estudiada, en este caso la tensión de línea en la carga del inversor. En el esquema se incluye un nuevo subsistema denotado por Tensión de salida, cuya configuración se muestra en la figura 4.

Figura 4. Esquema del subsistema Tensión de salida.

En dicho subsistema se efectúa la transformación de magnitudes de línea a magnitudes de fase, para posteriormente analizar el contenido armónico de su componente fundamental empleando para ello el elemento Fourier.

2.2. Subsistema: Señales moduladoras

Este subsistema tiene la misión de generar las tres señales sinusoidales necesarias para efectuar la modulación PWM del inversor trifásico. Dichas señales constituyen un sistema trifásico equilibrado, cuya frecuencia determinará la frecuencia de la componente fundamental a la salida del inversor. Igualmente, la amplitud de la componente fundamental a la salida del inversor dependerá de la amplitud de las señales moduladoras. El esquema propuesto se muestra en la figura 5. La elemento switch que aparece en el esquema junto al resto de elementos conectados al mismo, tienen la misión de generar una amplitud gradual en las señales moduladoras durante el arranque del sistema, con el objetivo de minimizar los posibles daños que un arranque brusco pudiera causar al inversor. Para ello se establece una rampa de 15ms de duración, de forma que la amplitud de las señales moduladoras llegará a su valor máximo al final de dicho intervalo de tiempo. Por otro lado, los bloques de función tienen la finalidad de conseguir las tres señales sinusoidales necesarias, con igual amplitud y frecuencia pero desfasadas entre sí 120 grados, tal y como se requiere en un sistema de tensiones trifásicas equilibradas.


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Figura 5. Esquema del subsistema Señales moduladoras.

2.3. Subsistema: Modulación PWM

En este bloque se realiza la modulación PWM propiamente dicha, a partir de las señales moduladoras generadas en el apartado anterior. El esquema se muestra en la figura 6.

Figura 6. Esquema del subsistema: Modulación PWM.


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Como puede observarse en la figura anterior, se han incluido tres bloques generadores en los cuales se efectúa la modulación PWM. La salida de dichos bloques está compuesta por un total de seis señales que constituyen los pulsos de disparo de los seis interruptores del inversor trifásico. El esquema de cada uno de los bloques PWM se muestra en la figura 7.

Figura 7. Esquema del subsistema Generador PWM.

La señal portadora presenta una forma periódica triangular. El periodo de dicha señal viene determinado por el parámetro Tsw, el cual deberá ser establecido manualmente desde la línea de comandos de Matlab con anterioridad al comienzo de la simulación. Se recomienda para ello emplear un Tsw de 10 microsegundos (correspondiente a una frecuencia de conmutación de 100 kHz). Obsérvese cómo las señales de salida del bloque generador (Out1 y Out2, respectivamente) se hallan normalizadas entre 0 y 1. Igualmente, Out1 y Out2 presentan valores complementarios, ya que de lo contrario se correría el riesgo de activar simultáneamente los dos transistores de la misma rama del inversor produciendo el cortocircuito de la tensión de entrada al mismo.

2.4. Subsistema: Corriente de salida

En este sencillo bloque, se proporciona la medida de las corrientes por las tres ramas de salida del inversor, tal y como se aprecia en el esquema de la figura 8.

Figura 8. Esquema del subsistema Corrientes de salida.


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2.5. Parámetros de simulación

En este apartado se proporcionan algunas recomendaciones sobre la forma de establecer los parámetros de simulación del esquema propuesto. Para ello, en la figura 9 se muestra el cuadro de diálogo que podrá desplegarse a partir de la opción Simulation -> Parameters.

Figura 9. Configuración de los parámetros de simulación.

Las opciones más importantes de cara a la simulación se hallan contenidas en la sección Solver. En dicha sección se seleccionan los tiempos de inicio y fin de simulación. Igualmente, se seleccionará un tipo de integración con paso variable, pero el máximo paso de cálculo será fijado a 10 microsegundos con el objetivo de lograr gran precisión de simulación. Los valores recomendados en la figura 9 pueden emplearse como referencia durante la realización de la práctica.

2.6. Ejercicios de simulación propuestos

A partir de los esquemas descritos en las secciones anteriores, se propone la realización de los siguientes ejercicios.

1. Simule el esquema de la figura 1 en zona lineal, empleando para ello los índices de modulación de amplitud ma=1.0 y ma=0.5. Realice en cada caso las siguientes operaciones.

a. Obtenga las formas de onda de las magnitudes vAN, vAn, iA e id. b. Calcule el primer armónico de la tensión de fase, VAN1. Compare el

resultado obtenido con el valor teórico esperado. c. Represente la señal de rizado de la tensión de fase, vAn,ripple.


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d. Obtenga la tensión existente entre el punto neutro de la carga y la referencia del inversor, vnN. Compare el resultado obtenido con el valor teórico esperado.

e. Compruebe el efecto derivado del aumento de la caída de tensión en conducción, von, en los transistores del inversor.

2. Repita el apartado anterior para el caso de sobremodulación con ma=2.0. 3. Vuelva a repetir el apartado 1 llevando el esquema a funcionamiento en

onda cuadrada y compare la corriente de rizado obtenida en una fase de salida para los tres casos simulados.

4. Compruebe el efecto producido en la tensión de salida debido a los tiempos muertos (blanking time) introducidos en la conmutación de los transistores.

3. MONITORIZACIÓN PRÁCTICA DE UN INVERSOR TRIFÁSICO PWM

Con el fin de visualizar en la práctica el modo de operación de un inversor trifásico PWM se va a proceder a la monitorización de las señales (tensiones y corrientes) a la entrada y a la salida de un módulo comercial (el Sysdrive 3G3JV de OMRON). Este módulo se emplea para el control de velocidad V/f de un motor de inducción. En este caso se usará con entrada alterna monofásica. A la salida atacará a un motor de inducción con configuración en triángulo. El esquema genérico de monitorización que que se va a emplear se puede observar en la figura 10.

Medida de vab e ia

Medida de vs e is

Figura 10. Cableado del inversor trifásico PWM (entrada monofásica).

Para la configuración de los parámetros de funcionamiento del inversor se puede usar el propio teclado del módulo (modo local) o un PC a través de un enlace RS-232 (modo remoto). Este último modo será utilizado por su mayor facilidad. Como el control realizado para el motor es V/f conviene familiarizarse con este tipo de control (véase documentación en la propia página WEB de la asignatura).


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3.1. El inversor 3G3JV

El inversor 3G3JV-AB002 permite controlar un motor de inducción trifásico de hasta 0,25 kW a partir de una fuente AC monofásica de 200 V. El aspecto frontal del mismo y la funcionalidad de las teclas e indicadores se puede observar en las figuras 11 y 12. Para más información, relativa a comandos y parámetros configurables puede consultarse el manual completo disponible en la página WEB de la asignatura.

Figura 11. Aspecto frontal del inversor 3G3JV.


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Figura 12. Funciones de las teclas e indicadores.


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Y en la figura 13 se indica la secuencia de selección de los modos de monitorización y de programación. En el modo PGRM se monitorizan y modifican los parámetros n01 a n79 que definen el comportamiento del inversor (véase listado en la Sección 9 (páginas 109 a 120 del manual de operación). De esta forma se pueden configurar (modo local) todos los parámetros de funcionamiento del inversor, e incluso establecer una consigna manual de frecuencia, mediante el potenciómetro “FREQ” del panel frontal, que permite ajustar -en lazo abierto- la velocidad del motor.

Figura 13. Selección de los indicadores para monitorización y programación (local).


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3.2. Monitorización y configuración remota: Sysdrive Configurator

Mediante esta herramienta, desde un PC, vía puerto serie, se puede monitorizar y configurar distintos variadores de frecuencia de OMRON, entre ellos el 3G3JV. Al arrancar este programa, la ventana principal de trabajo es la mostrada en la figura 14.

Figura 14. Aspecto y áreas de trabajo de la ventana principal del entorno Sysdrive Configurator.

El manual de operación de este software puede consultarse en su totalidad en la página WEB de la asignatura. No obstante, para un uso preliminar y rápido se recomienda seguir las siguientes indicaciones:

• Comprobar que se ha realizado la conexión del inversor con el PC a través del puerto serie.

• Una vez iniciado el programa, abrir una nueva sesión (Fichero → Nuevo) y

el sistema demandará la selección manual o automática del tipo de


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convertidor. También se puede acceder a esta selección a través de la opción de menú: Herramientas → Opciones.

• Seleccionar el tipo de variador: 3G3JV-AB200, con la versión de firmware

013. Indicar también el puerto COM1 ó COM2, según proceda.

• Comprobar que el inversor se encuentra configurado en modo remoto (recuérdese la secuencia de selección que se mostró en la figura 13 para cambiar de modo local a remoto o al revés).

• Una vez seleccionado el variador ya se está en condiciones de realizar

operaciones sobre el mismo: carga de la configuración del inversor en el PC o viceversa, así como la modificación de cualquier parámetro n01 a n079. Pero, para un uso inmediato puede accederse de manera inmediata a la opción “Test del motor” donde se pueden configurar de un modo totalmente intuitivo, distintos perfiles de velocidad a seguir por el motor, en cualquier sentido de giro, así como en modo continuo o cíclico. El aspecto de la pantalla de test es el indicado en la figura 15.

Figura 15. Aspecto de la página de test del motor.


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3.3. Captura de señales y proceso.

Desde la ventana de test del motor probar distintos perfiles de velocidad del motor para comprobar el funcionamiento del mismo. Posteriormente, en el modo continuo, programar distintas consignas de frecuencia, concretamente: 2, 5, 10, 20, 50, 60 y 100 Hz. Para cada frecuencia capturar con el osciloscopio digital Tek THS710A, valiéndose de una sonda convencional de tensión y otra especial de corriente, y almacenar varios períodos de las siguientes señales:

• Tensión alterna de entrada (vs) • Corriente de entrada (is) • Tensión de línea a línea a la salida (vab) • Corriente de salida por una línea (ia)

A partir de las señales capturadas, para cada una de las frecuencias de consigna, obtener (bien a partir de la utilidad WaveStart de Tektronix, bien importando los datos desde MATLAB) los siguientes parámetros: A la entrada:

1. Distorsión armónica total de la corriente de entrada. 2. Distorsión armónica total de la tensión de entrada. 3. DPF y PF a la entrada. 4. Potencia activa a la entrada del inversor.

A la salida (supóngase funcionamiento completamente equilibrado):

1. Análisis de armónicos significativos -considérese sólo los que tienen un valor eficaz superior al 1% del fundamental- de la tensión de fase. Valor eficaz del primer armónico.

2. Potencia activa entregada a la carga.

Obtener, finalmente, el rendimiento del inversor para cada frecuencia de consigna. MOTOR USADO: AEG AM63ZB4A con configuración en triángulo Datos de fabricante para 230 V, 50 Hz: 0.18 kW; 1.1 A; cos ϕ = 0.7 NOTA: En la página WEB, se encuentra un ejemplo de señales capturadas (tensiones y corrientes) a las diferentes frecuencias de consigna indicadas. El formato de las mismas es el .NBK de Tektronix (que se puede capturar desde Wstar, y con una pequeña edición desde MATLAB).

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