Tesis SVPWM Para Deber 5

ESCUELA SUPERIOR POLITCNICA DEL LITORAL

Facultad de Ingeniera en Electricidad y Computacin

ANLISIS, DISEO E IMPLEMENTACIN DE UN SISTEMA DE ALIMENTACIN ININTERRUMPIDA (UPS) BASADO EN UN

CONVERTIDOR TRIFSICO MEDIANTE MODULACIN POR ANCHO DE PULSO CON LA TCNICA SINUSOIDAL PWM (SPWM) CONTROLADO

POR UN PROCESADOR DE SEALES DIGITALES (DSP)

TESIS DE GRADO

Previo a la obtencin del ttulo de:

INGENIERO EN ELECTRICIDAD ESPECIALIZACIN ELECTRNICA Y AUTOMATIZACIN INDUSTRIAL

Presentada por:

Francisco Javier Garzn Andrade

Mildred Rosa Meja Orellana

Ren Douglas Padilla Rizzo

GUAYAQUIL - ECUADOR

2008

II

AGRADECIMIENTO

A nuestras familias, seres

queridos, amigos y a todos

quienes de alguna u otra

manera nos brindaron su apoyo

incondicional, e hicieron que

esto sea posible.

III

DEDICATORIA

A nuestros padres, familiares,

seres queridos y amigos.

IV

TRIBUNAL DE GRADUACIN Ing. Holger Cevallos Ing. Sxifo Falcones SUB-DECANO DE LA FACULTAD DIRECTOR DEL TOPICO

PRESIDENTE

Msc. Carlos Salazar Ing. Carlos Valdivieso

VOCAL PRINCIPAL VOCAL PRICIPAL

V

DECLARACIN EXPRESA La responsabilidad del contenido de esta Tesis de Grado, nos corresponden

exclusivamente; y el patrimonio intelectual de la misma a la ESCUELA

SUPERIOR POLITCNICA DEL LITORAL

(Reglamento de Graduacin de la ESPOL).

Francisco Javier Garzn Andrade

Mildred Rosa Meja Orellana

Ren Douglas Padilla Rizzo

VI

RESUMEN

Este trabajo consiste en la implementacin de un MODELO DIDACTICO de la

operacin de un Sistema de Alimentacin Ininterrumpida (SAI UPS) de

Lnea Interactiva, basado en sus dos modos de operacin INVERSOR PWM y

RECTIFICADOR PWM, implementados de forma independiente.

El convertidor utilizado para esta aplicacin es un Bloque Trifsico de IGBT

con su respectivo circuito de disparo y proteccin.

La tcnica del control de disparos escogida corresponde a la Modulacin por

Ancho de Pulso Sinusoidal (SPWM), para lo cual se us un Procesador Digital

de Seales (DSP) programable en la plataforma SIMULINK/MATLAB.

Este proyecto propone tambin una simulacin de un lazo cerrado de control

para la operacin de un UPS.

VII

INDICE GENERAL

AGRADECIMIENTO..II

DEDICATORIA..III

TRIBUNAL DE GRADUACIN...IV

DECLARACIN EXPRESADAV

RESUMEN.VI

INDICE GENERAL..VII

ABREVIATURAS....XIII

SIMBOLOGIA...XV

NDICE DE FIGURAS.XVIII

NDICE DE TABLAS....XXV

INTRODUCCIN1

CAPITULO 1

1. Conceptos de Calidad de Energa.....2

1.1. Calidad de Energa (Historia)..2

1.2. Perdidas Calidad de Energa......5

1.3. Factores que afectan la Calidad de Energa....7

1.3.1. Transitorios.......8

1.3.1.1. Disturbios Impulsivos....9

VIII

1.3.1.2. Disturbios Oscilatorios....10

1.3.2. Efectos de Corta Duracin...11

1.3.2.1. Interrupciones......12

1.3.2.2. SAG de Tensin..12

1.3.2.3. SWELL de Tensin.14

1.3.3. Efectos de Larga Duracin..15

1.3.3.1. Interrupciones Sustentadas...16

1.3.3.2. Sobretensiones.......17

1.3.3.3. Subtensiones.......18

1.3.3.4. Desequilibrio de tensin.18

1.3.4. Secuenciales......19

1.3.4.1. Armnicos........20

1.3.4.2. Notch.........24

1.3.4.3. Ruido.........25

1.3.5. Fluctuaciones de Tensin26

1.3.5.1. Flicker....27

1.4. Compensadores de Calidad de Energa.28

1.4.1. Distributed Static Compensator (DSTATCOM)29

1.4.2. Dynamic Voltage Restorer (DVR)..30

1.4.3. Uninterruptible Power Supply (UPS).32

1.4.4. Anlisis de aplicacin de los Compensadores.33

IX

CAPITULO 2

2. Sistema de Alimentacin Ininterrumpida (UPS)35

2.1. Historia de los UPS.....36

2.2. Definicin y Funcionamiento de un UPS.....37

2.3. Topologas modernas de los UPS....39

2.3.1. UPS Standby.....40

2.3.2. UPS Standby Ferro...42

2.3.3. UPS Lnea Interactiva...42

2.3.4. UPS Doble Conversin On-Line.45

2.3.5. UPS Conversin On-Line Delta..47

2.3.6. Aplicaciones de las Topologas...48

2.3.6.1. Ventajas y Desventajas......49

2.4. Seleccin de la Topologa a utilizar.....53

2.5. UPS Lnea Interactiva....53

2.5.1. Principio de Funcionamiento...54

2.5.2. Ventajas y Desventajas56

2.5.3. Etapas de operacin.57

2.5.3.1. Etapa Inversora.......57

2.5.3.2. Etapa Rectificadora.....59

2.5.4. Caractersticas de la Batera60

2.6. Caractersticas principales del UPS Lnea Interactiva a disear....61

X

CAPITULO 3

3. Principios de Convertidores PWM...62

3.1. Convertidores DC-DC....62

3.1.1. Reductor (Buck).....64

3.1.2. Elevador (Boost)65

3.1.3. Modelos...67

3.1.3.1. De gran seal...67

3.1.3.2. De pequea seal68

3.2. Convertidores Trifsicos....70

3.2.1. Inversor PWM.70

3.2.2. Rectificador PWM..74

3.2.3. Modulacin Sinusoidal..75

3.2.4. Modelos...79

3.2.5. Controlador.....86

3.2.5.1. Transformada de Park87

3.2.5.2. Controladores PI..89

3.2.5.3. Circuito PLL..91

3.3. Diseo del Convertidor Trifsico para un UPS Lnea Interactiva....93

3.3.1. Especificaciones....94

3.3.2. Clculo de los parmetros del diseo95

3.3.2.1. Clculo de la Inductancia...95

3.3.2.2. Clculo de la Capacitancia.99

XI

3.3.2.3. Clculo de Semiconductores...100

3.3.3. Simulaciones....101

CAPITULO 4

4. Diseo de Controladores Digitales106

4.1. Principio de funcionamiento....106

4.2. Ventajas y Desventajas...108

4.3. Procesador digital de seal.109

4.3.1. Ventajas sobre Microcontroladores..111

4.3.2. La Familia TMS320C2000.....112

4.3.3. Tarjeta eZdsp......114

4.4. Herramientas de Matlab...115

4.4.1. Simulink....115

4.4.2. PLECS......116

4.4.3. Target for TI C2000....117

4.5. Diseo del Controlador para un UPS Lnea Interactiva..118

4.5.1. Especificaciones.....119

4.5.2. Modelacin......120

4.5.3. Simulaciones...124

4.6. Implementacin en el DSP TMS320F2812..130

4.6.1. Herramientas utilizadas..131

4.6.2. Programa para la Implementacin132

XII

OBSERVACIONES Y RESULTADOS....139

CONCLUSIONES..157

RECOMENDACIONES.159

PROYECTO FUTURO..159

BIBLIOGRAFIA...160

ANEXOS..163

ANEXO A: PLAN DE ACTIVIDADES..164

ANEXO B: ESQUEMTICOS..167

ANEXO C: HOJAS DE ESPECIFICACIONES..173

ANEXO D: IMPRESO DE TARJETAS175

ANEXO E: ANALISIS DE COSTO..179

XIII

ABREVIATURAS

AC Corriente Alterna

ADC Convertidor anlogo digital

CEE Calidad de la Energa Elctrica

DAC Convertidor digital anlogo

DC Corriente Directa

DMA Acceso directo de memoria

DMA Acceso directo de memoria

DSP Procesador digital de seales

DSTATCOM Compensador Esttico de Distribucin

DVR Restaurador Dinmico de Voltaje

fs Frecuencia de conmutacin

GTO Tiristores de desactivacin por compuerta

Hz Hertz

IDC Corriente en el lado DC

IEEE Instituto de Ingenieros Elctricos y Electrnicos

IMOD Corriente modulada

IQN Nmero entero con Q decimales

Ki Constante de integracin

MAC Multiplicacin y acumulacin

MATLAB Laboratorio de matrices

XIV

p.u. Por Unidad

PCB Tarjeta de circuito impreso

PI Controlador proporcional integral

PLECS Simulacin de Circuitos Lineales Elctricos

PLL Lazo de seguimiento o enganche de fase

PM Margen de fase

PQ Calidad de la Potencia (Power Quality)

PWM Modulacin por ancho de pulsos

Rms Valor eficaz

Sag Depresin de tensin

SAI Sistema de alimentacin Ininterrumpida

SCR Rectificadores de silicio controlado

SPWM Modulacin por ancho de pulsos (tcnica senoidal)

SVPWM Modulacin por ancho de pulsos (tcnica de vector espacial)

Swell Salto de tensin

THD Distorsin Total de Armnicos

TI Texas Instruments

Ts Perodo de conmutacin

UPS Sistema de Potencia Ininterrumpible

VA Voltios Amperios

VDC Voltaje en el lado DC

VMOD Voltaje modulado

XV

SIMBOLOGA

X Cambio en la seal X

C Capacitancia

D Ciclo de trabajo

IDC Corriente DC

IL Corriente de la carga

Is Corriente de la fuente

IMAX Corriente mxima

IMOD Corriente moduladora

THD Distorsin total armnica

fs Frecuencia de conmutacin

fc Frecuencia de corte

Cos() Funcin coseno

Gc Funcin del controlador

Sen() Funcin seno

M ndice de modulacin

L Inductancia

Lmin Inductancia mnima

PM Margen de fase

Ts Perodo de Conmutacin

P Potencia activa

XVI

PD Potencia disipada en el IGBT

Q Potencia reactiva

R Resistencia

RL Resistencia de la carga

IL Rizado pico a pico de la corriente

Vo Rizado pico a pico de voltaje

Xq Seal de desfase en el marco rotacional

Xd Seal de magnitud en el marco rotacional

Seal moduladora alfa

Seal moduladora beta

S Interruptor apagado o abierto

t Tiempo

Velocidad angular

VDC Voltaje DC

Vin Voltaje de entrada

Vs Voltaje de la fuente trifsica

Vout Voltaje de salida o voltaje en la carga

VL Voltaje en la carga

Va Voltaje en la fase a

Vb Voltaje en la fase b

Vc Voltaje en la fase c

Vab Voltaje entre lneas a y b

XVII

Vbc Voltaje entre lneas b y c

Vca Voltaje entre lneas c y a

VMAX Voltaje mximo

VLMAX Voltaje mximo en el inductor

VMOD Voltaje modulador

XVIII

INDICE DE FIGURAS

Capitulo 1

Figura 1.1 Esquema Sistema Elctrico Inicial...3

Figura 1.2 Esquema Sistema Elctrico Actual..3

Figura 1.3 Grfica de un Impulso Atmosfrico10

Figura 1.4 Disturbio Oscilatorio.10

Figura 1.5 Interrupcin12

Figura 1.6 Depresin de Tensin (SAG).....13

Figura 1.7 Incremento de Tensin (SWELL)..15

Figura 1.8 Interrupcin Sustentada .16

Figura 1.9 Sobretensin.17

Figura 1.10 Subtensin.18

Figura 1.11 Grfica de Armnicos..22

Figura 1.12 Notch de Tensin.25

Figura 1.13 Ruido en una Seal de Tensin.26

Figura 1.14 Flicker.28

Figura 1.15 Esquema de un DSTATCOM.30

Figura 1.16 Foto de un DSTATCOM de marca PureWave.30

Figura 1.17 Esquema de un DVR...31

Figura 1.18 Foto de un DVR de marca PureWave..32

XIX

Figura 1.19 UPS ON LINE33

Figura 1.20 Foto de un UPS de marca PureWave...33

Captulo 2

Figura 2.1 Diagrama Bsico de un UPS..38

Figura 2.2 Diagrama UPS Stand By.41

Figura 2.3 Diagrama UPS Stand By Ferro..42

Figura 2.4 Diagrama UPS Lnea Interactiva44

Figura 2.5 Diagrama UPS Doble Conversin Online.45

Figura 2.6 Diagrama UPS Delta Conversin Online..48

Figura 2.7 Efectividad vs. Frecuencia de Problemas de Calidad de

Energa UPS Stand By.51


Energa UPS Lnea Interactiva52


Energa UPS Doble Conversin.52

Figura 2.10 UPS Lnea Interactiva Operacin Normal.54

Figura 2.11 UPS Lnea Interactiva Operacin en Falla54

Figura 2.12 UPS Lnea Interactiva Recarga de Batera...55

Figura 2.13 Estructura Inversor...58

XX

Figura 2.14 Salida del Inversor59

Figura 2.15 Estructura Rectificador....60

Captulo 3

Figura 3.1 Esquema Convertidor DC-DC Bsico...63

Figura 3.2 Forma de onda de un convertidor DC-DC63

Figura 3.3 Convertidor Buck o Reductor.65

Figura 3.4 Convertidor Boost o Elevador.66

Figura 3.5 Diagrama de Gran Seal del Buck68

Figura 3.6 Ecuaciones del Convertidor Buck Gran Seal.68

Figura 3.7 Circuito equivalente Pequea Seal.69

Figura 3.8 Diagrama de Pequea Seal del Buck.69

Figura 3.9 Ecuaciones del Convertidor Buck Pequea Seal.70

Figura 3.10 Inversor Trifsico 6 Transistores y 6 Diodos...72

Figura 3.11 a) Modulacin SPWM, b) Voltaje Modulado A, c) Voltaje

Modulado B, d) Voltaje Modulado C, e) Voltaje Vab, f)

Voltaje Vbc, g) Voltaje Vca 73

Figura 3.12 Rectificador con Modulacin PWM75

Figura 3.13 Comparacin entre la Portadora y la Referencia76

Figura 3.14 Voltajes Modulados Generados (VaN, VbN y VcN)....77

XXI

Figura 3.15 Unifilar de un UPS Lnea Interactiva.79

Figura 3.16 Esquema Electrnico de un UPS Lnea Interactiva80

Figura 3.17 Esquema Electrnico del UPS MODO

RECTIFICADOR...80

Figura 3.18 Trasformada de Clark..88

Figura 3.19 Trasformada de Park...89

Figura 3.20 Diagrama de Bloques de un Control PI91

Figura 3.21 Diagrama de un Control PLL..92

Figura 3.22 Mdulo Convertidor IRAMY20UP60B..94

Figura 3.23 Dimensiones del Ncleo T520-40..97

Figura 3.24 Programa para diseo de inductores de

MICROMETALS97

Figura 3.25 Ingreso de parmetros para el diseo del inductor....98

Figura 3.26 Resultados para el diseo del inductor.98

Figura 3.27 Parmetros Bsicos para el IGBT...100

Figura 3.28 Convertidor MODO INVERSOR (Switch Abierto).101

Figura 3.29 Voltaje y Corriente en la Carga....101

Figura 3.30 Voltaje y Corriente Modulado......102

Figura 3.31 Corriente en la Batera..102

Figura 3.32 Convertidor MODO RECTIFICADOR (Switch

Cerrado).....................103

Figura 3.33 Voltaje y Corriente en la Carga103

XXII

Figura 3.34 Voltaje y Corriente Modulado...104

Figura 3.35 Corriente en la Batera..104

Captulo 4

Figura 4.1 Lazo tpico de Control108

Figura 4.2 Diagrama de Bloques de un sistema de Procesamiento

Digital110

Figura 4.3 Foto del DSP TMS320F2812......113

Figura 4.4 Foto del eZdsp TMF2812....114

Figura 4.5 Libreras Simulink...115

Figura 4.6 Librera PLECS...116

Figura 4.7 Bloques de Componentes de PLECS.116

Figura 4.8 Code Composer Studio.117

Figura 4.9 Libreras del Target para TI C2000.118

Figura 4.10 Ingreso de la funcin de Transferencia en

SISOTOOL........................120

Figura 4.11 Diagrama de BODE de magnitud y fase del sistema del

Lazo abierto.121

Figura 4.12 Tiempo de estabilizacin..121

Figura 4.13 Calculo del compensador.122

XXIII

Figura 4.14 Diagrama de BODE de magnitud y fase en Lazo

cerrado.123

Figura 4.15 Tiempo de Estabilizacin en Lazo cerrado123

Figura 4.16 Compensador PI VMOD / IMOD..124

Figura 4.17 Simulacin del UPS de Lnea Interactiva...125

Figura 4.18 Planta en Modelo Matemtico del UPS..125

Figura 4.19 Planta Real del UPS..126

Figura 4.20 Bloque PWM Sinusoidal126

Figura 4.21 Convertidor Trifsico..127

Figura 4.22 Transformada de Clark / Park abc dq...127

Figura 4.23 Corriente DC...128

Figura 4.24 Voltajes y Corrientes en la Carga129

Figura 4.25 Corriente en el Inductores.129

Figura 4.26 Corriente de en el Inductor (Transformado Vector

dq)............130

Figura 4.27 Bloques de la Librera TI C2000 utilizados132

Figura 4.28 Programa MODO INVERSOR.133

Figura 4.29 Entrada de Seales...133

Figura 4.30 Adecuacin de Seal (Por Unidad).134

Figura 4.31 Control de Magnitud y Fase.134

Figura 4.32 Control de Magnitud y Fase.134

Figura 4.33 Matriz de Desfase..135

XXI

Figura 4.34 Generador Sinusoidal136

Figura 4.35 Generacin PWM...136

Figura 4.36 Adecuacin de Seal (Porcentaje)..137

Figura 4.37 Programa MODO RECTIFICADOR137

Figura 4.38 Bloque ABC ab 138

XXV

XXV

INDICE DE TABLAS

Capitulo 1

Tabla 1.1 Clasificacin de los factores que afectan la Calidad de

Energa.8

Tabla 1.2 Comparacin de los Compensadores segn los

problemas de Calidad de Energa que corrigen..34

Capitulo 2

Tabla 2.1 Tabla comparativa de los atributos de diseo Vs.

topologas de los UPS.48

Tabla 2.2 Aplicaciones de las Topologas de UPS...49

Tabla 2.3 Ventajas y desventajas del UPS Stand By...49

Tabla 2.4 Ventajas y desventajas del UPS Lnea Interactiva..50

Tabla 2.5 Ventajas y desventajas del UPS Doble Conversin50

Tabla 2.6 Diferencias UPS Lnea Interactiva y Doble Conversin.57

Captulo 4

Tabla 4.1 Principales DSP, Fuentes: Revista EDN, May 1997,

XXV

XXV

XXV

XXV

pagina 44.110

Tabla 4.2 Comparacin Microcontrolador Vs. DSP111

Tabla 4.3 Cuadro comparativo de las clases de procesador

TMS320C2000113

Tabla 4.4 Operacin UPS para simulacin..128

1

INTRODUCCIN

Hoy en da, los estndares de calidad son cada vez ms exigentes, y un

mercado globalizado demanda: bajos costos, alta rentabilidad, calidad y

eficiencia. Curiosamente la Calidad de Energa guarda una estrecha relacin

con cada una de estas caractersticas, ya que la continuidad, confiabilidad y

calidad del servicio elctrico son decisivos, al poder ocasionar: la interrupcin

de un proceso de produccin, el dao en equipos sensibles y tiempos de

inactividad, que se traducen en prdidas: econmicas, de calidad y tiempo.

Por lo tanto, en la actualidad existen una serie de medidas correctivas y

preventivas que se basan en un conjunto de equipos y tcnicas que permiten

asegurar la calidad de energa en el lado del consumidor.

Una de las medidas correctivas es el Sistema de Alimentacin Ininterrumpida

(UPS), que garantiza un suministro de electricidad en el evento de una falla

en el suministro habitual, pudiendo tambin regular el flujo de electricidad,

controlando las subidas y bajadas de tensin y corriente existentes en la red

elctrica, resultando especialmente til ante cargas crticas, que requieran de

una alimentacin continua y limpia.

CAPTULO 1

1. CONCEPTOS DE CALIDAD DE ENERGA

1.1 Calidad de Energa (Historia)

Desde hace algunas dcadas y como una respuesta a las

necesidades de la industria y consumidores en general, ha habido

un constante desarrollo tecnolgico, con particular inters en la

Electrnica de Potencia, con el propsito de cumplir con las

exigencias de un mercado cada vez ms competitivo que demanda

calidad, continuidad de servicio energtico, disminucin de

costos/prdidas, procesos productivos eficientes, menor

dependencia del personal de planta, entre otras cosas.

Se desarrollaron entonces, nuevas tecnologas con componentes

ms eficientes, que alteraron la caracterstica cuasi lineal de las

3

cargas, transformndolas en su mayora en NO LINEALES,

alterando la respuesta habitualmente esperada de una forma

sinusoidal en la corriente a otras con nuevas caractersticas.

FIGURA 1.1 Esquema Sistema Elctrico inicial.

FIGURA 1.2 Esquema Sistema Elctrico actual.

4

Con el cambio de comportamiento de la carga se alter tambin el

Sistema de Suministro de Energa Elctrica, su precio y servicio, y

dado que constituye un factor decisivo de la economa, se cre el

concepto de Calidad de Energa, para cuyo desarrollo se trat el

problema de forma integral, con investigacin bsica y aplicada.

El trmino de Calidad de Energa Elctrica (CEE, en espaol y PQ-

Power Quality, en ingls) est relacionado directamente con las

perturbaciones que pueden afectar las condiciones elctricas del

suministro y ocasionar el mal funcionamiento o dao de equipos y

procesos, por lo que la Empresa Distribuidora debe garantizar un

servicio de costos viables, funcionamiento adecuado, seguro y

confiable, sin afectar el medio ambiente o el bienestar de las

personas. Tcnicamente hablando para la Empresa Distribuidora

esto implica un suministro con tensiones equilibradas, sinusoidales y

de amplitudes y frecuencias constantes. [5]

A nivel mundial se viene realizando estudios importantes de Calidad

de Energa desde hace 20 aos, los que muestran que ao a ao

aumentan los niveles de distorsin de tensin y sealan como causa

principal a los equipos electrnicos o cargas no lineales conectadas

a la red.

5

El objetivo de la Calidad de Energa es lograr un suministro con

calidad corrigiendo disturbios y variaciones de voltaje en el lado del

cliente y proponiendo soluciones para corregir fallas o problemas

que se presentan en el lado del sistema de las compaas

suministradoras de EE.EE., cuyo xito depende tanto de las

empresas de energa elctrica como de los consumidores y de los

fabricantes de equipos.

1.2 Prdidas de Calidad de Energa

La carga es lo que determina las Prdidas en la Calidad de Energa

pudiendo provocar:

Mal funcionamiento de los equipos conectados a la red

distribuidora, tal como: Transformadores, Bancos de Capacitares,

etc. Y errores en los datos.

Corrientes excesivas en los conductores de neutro que lo

sobrecalientan.

Altos niveles de tensin entre los conductores de neutro y tierra

los cuales causan errores en los datos.

Sobrecalentamiento y ruido acstico en transformadores,

motores y otros aparatos.

6

Campos magnticos muy intensos emitidos por transformadores.

Disminucin en el tiempo de vida de los equipos y sus elementos

constitutivos.

Sistemas de control electrnico que se paran inesperadamente.

Reinicio de los sistemas de manera frecuente.

Fallas inexplicables de motores y sistemas elctricos.

Circulacin continua de corriente en el conductor de puesta a

tierra.

Bajo Factor de Potencia provocado por un calentamiento

excesivo de los Bancos de Capacitares.

Operacin errnea de los dispositivos de control, los sistemas de

sealizacin principal y relevadores de proteccin.

Interferencia telefnica.

Daos a tarjetas electrnicas.

Variacin de la velocidad o del par en motores.

Apertura de contactores.

Colapso de sistemas de computacin o errores de medicin en

instrumentos equipados con dispositivos electrnicos.

Fallas en la conmutacin de convertidores.

Parpadeo en luminarias.

Bloqueo de programas de PLC's.

Baja eficiencia en motores elctricos, entre otros.

7

A nivel industrial un mantenimiento preventivo constante y la

instalacin de equipos de proteccin y de control, resultan

fundamentales para disminuir dichas Prdidas.

Mientras que para las compaas suministradoras una accin

preventiva corresponda a la utilizacin de equipos que puedan

proporcionar informacin acerca de las operaciones del sistema

elctrico en condiciones normales y anormales, ayudando a evitar

fallas catastrficas debido a cortos circuitos, resaltando reas con

problemas potenciales, ilustrando el efecto de la presencia de

armnicas e identificando las oportunidades para ahorrar costos con

la reduccin de la mxima demanda.

1.3 Factores que afectan la Calidad de Energa

A nivel industrial existen diversos factores que afectan la Calidad de

Energa, entre los cuales se encuentran:

Las Instalaciones de sistemas elctricos y electrnicos altamente

sensibles en instalaciones antiguas;

La Instalacin de equipos sensibles en instalaciones nuevas,

cuyos diseos no preveen problemas de calidad de energa;

8

Planes de proteccin inadecuados o inexistentes;

Diseo inadecuado de las instalaciones elctricas y los Sistemas

de puesta a tierra; entre otros.

Para un mejor entendimiento de los factores que afectan la Calidad

de Energa, stos han sido clasificados segn su duracin y forma

en la Tabla 1.1:

TABLA 1.1 Clasificacin de los factores que afectan la Calidad de Energa

1.3.1 Transitorios

Son clasificados como Transitorios aquellos eventos

indeseables en el sistema que son de naturaleza

momentnea. La duracin en que se presentan estos

eventos es aproximadamente menor a 0.5 ciclos.

9

Generalmente son causados por descargas atmosfricas, as

como tambin por maniobras de interruptores, por

oscilaciones comnmente debidas a la conexin de Bancos

de Capacitares y por cambios sbitos en el sistema de

suministro. Se clasifican en:

Disturbios Impulsivos, y,

Disturbios Oscilatorios.

3.1.1.1 Disturbios Impulsivos

1

No provoca alteraciones en las condiciones de estado estable de tensin o corriente.

2

Se atena rpidamente por la resistencia del sistema debido a que no tiene frecuencia, por lo que no se propaga muy lejos del lugar de origen.

CARACTERSTICAS

3 Tiene polaridad unidireccional.

ORIGEN Son de origen atmosfrico, llamados tambin impulsos atmosfricos.

EFECTOS Pueden causar falla inmediata en el aislamiento de los equipos y fuentes electrnicas.

10

FIGURA 1.3 Grfica de un impulso atmosfrico

3.1.1.2 Disturbios Oscilatorios

CARACTERSTICAS

Provoca variaciones de tensin y corriente. Sus valores instantneos cambian de polaridad rpidamente.

ORIGEN

Son causados por las modificaciones de la configuracin de un sistema, por ejemplo: maniobras en lneas de transmisin, enclavamiento de Bancos de Capacitares, etc.

EFECTOS Pueden causar la quema o dao en equipos electrnicos.

FIGURA 1.4 Disturbio Oscilatorio

11

Como posibles soluciones para mitigar estos

problemas se tiene: El uso de Sistemas de

Alimentacin Ininterrumpidas (SAI, conocido como

UPS, por sus siglas en ingls), Protectores

Electrnicos de SAGs (Filtros Activos),

Transformadores de Aislamiento y Acondicionadores

de Calidad de Energa Elctrica (Power Quality

Conditioners).

1.3.2 Efectos de Corta Duracin

Los efectos de corta duracin son eventos originados por

fallas en el sistema elctrico, y por la energizacin de grandes

bloques de carga. La duracin en que se presentan estos

eventos es de aproximadamente 0.5 ciclos a 1 min. Su

clasifican depende de la localizacin de la falla y las

condiciones de operacin del sistema, pudiendo ocasionar

tres tipos de efectos de Corta Duracin: [9]

Interrupciones,

Depresin de tensin (SAG), y,

Elevacin de Tensin (SWELL).

12

3.2.1.1 Interrupciones

CARACTERSTICAS

Presentan un decremento de la tensin de alimentacin a un valor menor que 0.1 p.u. por un periodo de 0.5 ciclos a 1 minuto.

ORIGEN

Puede ser el resultado de fallas en el sistema elctrico de los equipos o del mal funcionamiento de los sistemas de control.

EFECTOS Causan dao o mal funcionamiento de los equipos electrnicos.

FIGURA 1.5 Interrupcin

3.2.1.2 SAG de Tensin

Los SAGs de tensin, tambin conocidos como DIPs

de Tensin, son los disturbios elctricos ms

comunes.

13

CARACTERSTICAS

Son reducciones momentneas del valor eficaz de la Tensin de 0.1 a 0.9 p.u. con una duracin de 0.5 ciclos a 1 minuto.

ORIGEN

Por la entrada de grandes bloques de carga, al arranque de grandes motores o el encendido de calentadores elctricos.

EFECTOS

Pueden provocar la parada de equipos electro-electrnicos y la interrupcin de los procesos productivos.

Algunos elementos efectivos para minimizar los

problemas generados por estas reducciones sbitas

de tensin son los transformadores de aislamiento y

los UPSs.

FIGURA 1.6 Depresin de Tensin (SAG)

14

3.2.1.3 SWELL de Tensin

CARACTERSTICAS

Son pequeos incrementos del valor eficaz de la tensin en el orden de 1.1 a 1.8 p.u. con una duracin de 0.5 ciclos a 1 minuto.

ORIGEN

1. Estn asociados a condiciones de falla desequilibradas en el sistema

2. Salidas de grandes bloques de carga en circuitos con una regulacin de voltaje lenta o que carezcan de la misma.

3. Tambin causados por la entrada de Bancos de Capacitores y por el dao o prdida de las conexiones de neutro.

EFECTOS

Pueden causar: Degradacin y falla inmediata del aislamiento de equipos y fuentes electrnicas, trastornos en los controles y controladores de estado slido de motores (particularmente: Variadores de Velocidad), someter a esfuerzos dielctricos los componentes de computadoras, acortando su vida til.

Para minimizar los efectos adversos producidos por

este tipo de fenmenos utilizan supresores de

transitorios y UPSs, dimensionados mediante

15

mediciones en las instalaciones. A continuacin la

Figura 1.7 muestra la grfica de Voltaje Vs. Tiempo

en presencia de un SWELL.

FIGURA 1.7 Incremento de Tensin (SWELL)

1.3.3 Efectos de Larga Duracin

Son variaciones del valor eficaz de la tensin durante un

tiempo mayor a 1 minuto, se consideran disturbios de rgimen

permanente y se clasifican en: [9]

Interrupciones Sustentadas,

Sobretensiones,

Subtensiones, y,

Desequilibrio de Tensin.

16

3.3.1.1 Interrupciones Sustentadas

CARACTERSTICAS

Reduccin de la tensin de alimentacin al valor de cero por un periodo superior a 1 minuto.

ORIGEN

Puede ser el resultado de fallas en el sistema elctrico de los equipos. Perdida completa de la alimentacin.

EFECTOS Causan dao o mal funcionamiento de los equipos electrnicos.

De naturaleza permanente, requieren intervencin

manual para reestableciminiento de la energa

elctrica del sistema.

A continuacin grfica de Voltaje vs. Tiempo cuando

ocurre una interrupcin sustentada

FIGURA 1.8 Interrupcin sustentada

17

3.3.1.2 Sobretensiones

CARACTERSTICAS

Presentan un aumento del valor eficaz de la tensin de 1.1 a 1.2 p.u. durante un tiempo superior a 1 minuto.

ORIGEN

Se originan por la salida de grandes bloques de carga, entrada de Banco de Capacitores y ajuste incorrecto de los Taps de los Transformadores.

EFECTOS Operacin inadecuada y quema de equipos electrnicos sensibles.

A continuacin la grfica de Voltaje Vs. Tiempo en

presencia de una sobretensin de tensin.

FIGURA 1.9 Sobretensin

Para minimizar el efecto de estos problemas se utiliza

UPSs, Supresores de Tensin, Transformadores de

acoplamiento, entre otros.

18

3.3.1.3 Subtensiones

CARACTERSTICAS

Presentan una reduccin del valor eficaz de la tensin de 0.8 a 0.9 p.u. durante un tiempo superior a 1 minuto.

ORIGEN

Causados por la entrada de grandes cargas, salida de Bancos de Capacitores o por sobrecargas en los alimentadores.

EFECTOS

Aumento en las perdidas de los motores de induccin, parada en los dispositivos electrnicos y un mal funcionamiento en los sistemas de mando de motores.

FIGURA 1.10 Subtensin

3.3.1.4 Desequilibrio de tensin

Se define como la razn entre la componente de

secuencia negativa y la componente de secuencia

19

positiva. En el caso de la Tensin de Secuencia

Negativa, este se presenta por el desequilibrio de

carga en los sistemas de potencia.

Un desequilibrio de tensin puede ser estimado como

el mximo desvo de la media de las tensiones de las

tres fases dividido por la media de las tensiones y

expresado en forma de porcentaje. La causa

principal es la conexin de cargas monofsicas en

circuitos trifsicos; anomalas en bancos de

capacitores.

1.3.4 Secuenciales (Distorsin de la forma de onda)

La distorsin de la forma de onda corresponde a la

deformacin de su forma sinusoidal pura, y puede darse tanto

en la forma de onda de tensin como en la de corriente. Se

da en rgimen permanente y se conocen tres tipos:

Armnicos,

Notch, y,

Ruido.

20

1.3.4.1 Armnicos

CARACTERSTICAS

Deformacin de la onda de su caracterstica sinusoidal pura original por tensiones o corrientes de frecuencias mltiplas de la fundamental de alimentacin.

ORIGEN

Las cargas no lineales conectadas a la red son las principales causantes de armnicos, como por ejemplo: Rectificadores Monofsicos, Rectificadores Trifsicos (UPS, Drives, etc), Reguladores de Tensin, Hornos de Arco, Transformadores, entre otros.

EFECTOS

1. Fallo de interruptores automticos.

2. Operacin incorrecta de contactores y rels.

3. Interferencia en sistemas de comunicacin.

4. Reseteo de ordenadores y errores en PLCs.

5. Calentamiento/Destruccin de condensadores por sobretensin, cuya impedancia decrece proporcionalmente con el orden de los armnicos presentes.

6. Sobrecalentamiento/Averas en transformad.

7. Calentamiento de motores de induccin

8. Prdidas en cobre de conductores por efecto Skin: Efecto proporcional a la frecuencia, en CA la intensidad se acumula en

21

los extremos del cable reduciendo su seccin efectiva

9. Prdidas dielctricas en condensadores

10. Intensidades en conductores de neutro, incluso en redes equilibradas producido por los armnicos triples (3, 6, 9, 12, ...)

11. Errores de medicin de energa activa, reactiva y factor de potencia.

12. Lecturas errneas con multmetros basados en el valor medio o con poco ancho de banda.

13. La elevacin de slo 10C de la temperatura mxima del aislamiento de un conductor reduce a la mitad su vida til.

14. Un aumento del 10% de la tensin mxima del dielctrico de un condensador reduce a la mitad su vida til.

Esta perturbacin corresponde a una de las ms

frecuentes en la actualidad, por lo que es de nuestro

particular inters y se analizar con mayor detalle.

La Figura 1.12 muestra una onda sinusoidal

fundamental con su tercer y quinto armnicos, es

decir, para una frecuencia fundamental de 60 Hz, el

22

tercer armnico tendra 180 Hz y el quinto armnico

300 Hz. [6]

FIGURA 1.11 Grfica de Armnicos

El problema de presencia de armnicos en un

sistema requiere una consideracin especial, ya que

no se pueden sacar conclusiones tiles sin conocer el

espectro de las corrientes armnicas presentes, pero

dada la complejidad es comn usar como referencia

los valores correspondientes a la Distorsin Armnica

Total (THD).

Distorsin Armnica Total (THD): Es la relacin de las

armnicas con respecto a la fundamental que indica

la variacin que tiene la onda que se est midiendo

con respecto de la onda fundamental que se quiere,

23

es decir, proporciona cunto se ha "distorsionado" la

onda sinusoidal en el proceso. [7]

Se calcula la THD del Voltaje (en porcentaje):

100)%(1

50

2

2

U

UUTHD

n

nn

=

== (1.1)

Se calcula la THD de la Corriente (en porcentaje):

100)%(1

50

2

2

I

IITHD

n

nn

=

== (1.2)

Existen diversas medidas para reducir la presencia

de armnicos y sus efectos en un sistema, entre las

que estn:

Filtros Pasivos: Establecen un camino de baja

impedancia para las corrientes armnicas de forma

que circulen por el filtro y no por la fuente de

alimentacin.

Transformadores de separacin: separan los

armnicos triple-N de la fuente de alimentacin.

24

Filtros Activos: compensa la corriente armnica y slo

la corriente fundamental procede de la fuente de

alimentacin.

1.3.4.1 Notch (Muesca, Corte)

CARACTERSTICAS

Perturbacin de la forma de onda normal de tensin, dura menos de 0.5 ciclos y de polaridad opuesta (se substrae de la forma de onda).

ORIGEN

Causado por conmutadores electrnicos (convertidores, rectificadores), que durante la conmutacin provocan un cortocircuito entre fases, incitando un incremento de corriente y una disminucin del voltaje. Tambin es causado por acondicionadores de energa (UPS, estabilizadores de voltaje).

EFECTOS

Usualmente no suele ser un problema mayor, pero puede causar que equipos, especialmente electrnicos, operen incorrectamente provocando errores en el procesamiento y prdida de informacin.

A continuacin la grfica de Voltaje Vs. Tiempo

cuando es afectado por un Notch de tensin. [9]

25

FIGURA 1.12 Notch de tensin

1.3.4.2 Ruido

CARACTERSTICAS

Distorsin de alta frecuencia en la forma de onda, menor que 200 kHz, de baja intensidad, superpuesto a la corriente o tensin en los conductores de fase, o en los de neutro.

ORIGEN

Resulta de operaciones defectuosas, de equipos e instalaciones de componentes inadecuados en el sistema (soldadoras elctricas, etc.) tanto por las empresas suministradoras como por los usuarios, y por los aterrizamientos impropios.

EFECTOS

Frecuentemente pasa desapercibido, pero puede causar mal funcionamiento en equipos electrnicos, errores en la electrnica digital, corrupcin de datos, sobrecalentamiento, distorsin de seales y desgaste en general

26

FIGURA 1.13 Ruido en una Seal Tensin

Para efectuar mediciones se debe usar un buen

Analizador de Espectro con una banda lo

suficientemente amplia, de modo que permita

detectar niveles de ruido por encima de los ndices

aceptables y tomar acciones correctivas instalando

equipos tales como: Transformadores de Aislamiento,

Reguladores Ferro-Resonantes, UPS, entre otros. [8]

1.3.5 Fluctuaciones de Tensin

Las fluctuaciones de tensin, entre las que destaca el

Parpadeo (Flicker), constituyen uno de los mayores

problemas de regulacin de tensin en la industria.

27

Son variaciones sistemticas del perfil de la tensin o una

serie de variaciones aleatorias de la magnitud de la tensin,

las cuales exceden el lmite especificado de 0,95 a 1,05 [p.u.].

1.3.5.1 Flicker (Parpadeo)

CARACTERSTICAS

Variacin del valor eficaz o amplitud de la tensin en un rango menor al 10% del valor nominal. Ocurre en un rango de frecuencia de 0.5 a 25 Hz.

ORIGEN

Se originan cuando el valor de la potencia de Cortocircuito es menor que el de las cargas fluctuantes. Algunas de las grandes fuentes industriales de este tipo de fluctuacin son: Hornos de Arco, Soldadoras Elctricas, Motores con cargas alternativas y arranques mltiples, etc.

EFECTOS

Produce fluctuacin de flujo luminoso en lmparas, induciendo la impresin de inestabilidad en la sensacin visual. Pueden afectar el funcionamiento de equipos sensibles (sin llegar a daos irreparables), como lo son: Sistemas Digitales de Control, Electromedicina, PLC, Instrumentacin, etc.

La Figura 1.14 muestra la variacin del Voltaje en el

tiempo en presencia de un Flicker. [10]

28

FIGURA 1.14 Flicker

1.4 Compensadores de Calidad de Energa

Como se ha mencionado el incremento de la automatizacin en la

industria moderna ha cambiado los requerimientos de la Calidad de

Energa. Las computadoras, equipos de control de procesos y

convertidores son sensibles a las desviaciones de los voltajes de

lnea de su forma sinusoidal ideal, tales como los SAGs, Armnicos,

Flickers, e Interrupciones de Alimentacin.

En base a lo expuesto los equipos convencionales ya no son una

alternativa de solucin, debiendo introducirse al Mercado equipos

basados en convertidores PWM conectados en serie o paralelo,

almacenadores de energa, entre los que destacan:

29

Distribution Static Compensator (DSTATCOM)

Dynamic Voltage Restorer (DVR)

Uninterruptible Power Supply (UPS)

1.4.1 Distributed Static Compensator (DSTATCOM)

Consiste en un convertidor de voltaje/compensador conectado

en paralelo a la red de distribucin a travs de un

transformador de acoplamiento, lo que permite al dispositivo

absorber o generar potencia activa y reactiva de forma

controlada.

El DSTATCOM es utilizado mayormente para la regulacin de

voltaje (proteccin contra SAGs y SWELLs), correccin del

Factor de Potencia y eliminacin de Corrientes Armnicas.

Tambin protege el sistema de distribucin de los Flickers y

mitiga armnicos, inyectndo armnicos de corriente a la

cargas para que la corriente de lnea sea sinusoidal,

corrigiendo el desbalance en las corrientes de lnea. No

provee compensacin durante interrupciones completas de

potencia. [11]

30

FIGURA 1.15 Esquema de un DSTATCOM

FIGURA 1.16 Foto de un DSTATCOM de marca PureWave

1.4.2 Dynamic Voltage Restorer (DVR)

Consiste en un Convertidor de Voltaje/Compensador

conectador en serie a la red de distribucin a travs de un

31

transformador de acoplamiento. En general se lo usa para la

proteccin de cargas crticas y sensibles contra depresiones y

sobretensiones de voltaje de corta duracin (SAGs y

SWELLs), as como tambin para eliminar voltajes armnicos.

Se considera que entra en operacin nicamente durante

perodos de falla reaccionando de manera instantnea ante

SAGs y SWELLs de tensin. Al igual que el DSTATCOM no

provee compensacin durante interrupciones completas de

potencia.

FIGURA 1.17 Esquema de un DVR

En el caso del DVR, es posible construirlo para potencias

relativamente altas, ampliando su utilizacin a todas las

32

ramas de la industria, desde lneas de produccin y fbricas

enteras hasta incluso polgonos industriales. [11]

FIGURA 1.18 Foto de un DVR de marca PureWave

1.4.3 Uninterruptible Power Supply (UPS)

Se trata de un Convertidor de Voltaje que proporciona una

alimentacin continua para proteger cargas sensibles que se

alimentan de una sola fuente de energa, eliminando a su vez

casi todos los problemas relacionados con la Calidad de

Energa. [11]

33

FIGURA 1.19 UPS ON-LINE

FIGURA 1.20 Foto de un UPS de marca PureWave

1.4.4 Anlisis de aplicacin de los Compensadores

La adecuada seleccin del compensador se basa en:

Tipo de carga a proteger: Qu tan sensible es la carga y

su nivel de importancia dentro del proceso.

34

Problemas de Calidad de Energa presentes en el sistema:

No todos los compensadores fueron diseados para

resolver los mismos problemas

Inversin: Ciertos problemas de calidad de energa son

corregidos por ms de un compensador, por lo que la

eleccin est sujeta a los otros beneficios que trae el

equipo y que implican una mayor inversin.

La tabla 1.2 resume las correcciones que los compensadores

realizan a los diferentes problemas de calidad de energa:

TABLA 1.2 Comparacin de los Compensadores segn los problemas de

Calidad de Energa que corrigen.

CAPTULO 2

2. SISTEMA DE ALIMENTACIN ININTERRUMPIDA

(UPS).

Histricamente, los generadores de emergencia han sido la solucin

para proteger las cargas sensibles de la interrupcin del servicio

suministrador de energa. Sin embargo, en la actualidad, stos resultan

ineficientes ante equipos altamente sensibles que en presencia de una

interrupcin alteran su funcionamiento sin dar tiempo a que el generador

entre en operacin.

Ante este problema, se busc eliminar estos disturbios de las redes

elctricas y gracias al desarrollo de la Electrnica de Potencia se dise

e implement equipos compensadores de interrupciones de tensin

llamados Sistemas o Fuentes de Alimentacin Ininterrumpida (SAI -

UPS/Uninterruptable Power Supply).

36

2.1. Historia de los UPS

La produccin en masa de los UPS, como equipo para mitigar

problemas por calidad de energa, se dio por primera vez en el

Mercado en los aos 1970s, esencialmente para resolver la

necesidad de grandes sistemas computacionales, de modo que

garantizaran continuidad y calidad en la fuente de alimentacin

elctrica.

Eventualmente, y al comprobarse su funcionalidad, los modelos de

UPS fueron evolucionando para extender su utilizacin al gran

nmero de cargas altamente sensibles desarrolladas y a su

diversificacin dada en ese entonces, por la explosin de la

tecnologa digital. Como resultado, los UPS se modificaron hasta

satisfacer las necesidades de aplicaciones tan complejas como las

de las mini y micro computadoras, junto con otros dispositivos

electrnicos que, como parte de procesos industriales

automatizados, de instrumentacin y telecomunicaciones, no

toleran problemas de calidad de energa, tales como SWELLs,

SAGs e interrupciones. Estos dos ltimos, los de mayor

importancia, por la frecuencia con que se presentan (el 98% de los

problemas guardan relacin con los SAGs de Tensin e

37

interrupciones con una duracin de menos de 15 segundos). De

ah la importancia en la utilizacin de UPSs en casos en los que

inclusive se puede prescindir del uso de un generador de

emergencia.

Debido a la rapidez de cambio sufrido por el mercado la adaptacin

hizo necesaria una serie de innovaciones tecnolgicas y una

extensin de los rangos de potencia, por lo que el progreso se hizo

en ambas direcciones, hacia bajas y altas potencias, solucionando

las necesidades respectivas de los microordenadores y las

aplicaciones vitales de Sistemas de la Telecomunicacin Digital.

Esa es la razn por la que el trmino UPS comprende una gran

variedad de productos que abarcan desde unos pocos cientos

hasta varios mega Voltios-Amperios (VA). [12]

2.2. Definicin y Funcionamiento de un UPS

Los sistemas de Alimentacin Ininterrumpida (UPS) son

dispositivos compensadores de tensin gracias a una fuente DC

con la que pueden proporcionar energa AC a la red o a la carga.

La propuesta nace del estudio de convertidores de DC a AC,

38

donde se pens en utilizar el concepto de convertidores para

alimentar una lnea que presenta una falla de interrupcin de

tensin.

El funcionamiento de un UPS se divide en tres etapas principales:

BATERA: Almacenar energa mientras hay voltaje en la lnea

para en el evento de una prdida en la alimentacin poder

compensar la energa.

CONVERTIDOR DC-AC: Tambin llamado Inversor, cambia el

voltaje de la batera en un voltaje AC, el cual va a ser recibido

por la carga del sistema.

CONVERTIDOR AC-DC: Tambin llamado Rectificador, es el

responsable de la recarga de la batera.

FIGURA 2.1: Diagrama Bsico de un UPS

39

2.3. Topologas de los UPS

Durante el proceso de adaptacin y cambio, las tcnicas

empleadas para el desarrollo y mejora de los UPS se volvieron

muy diversas, dependiendo del tipo de proteccin a aplicar, lo

crtico de la carga y su nivel de potencia, diversificando su

identificacin en el mercado. De igual forma la descripcin

seleccionada para calificar los tipos de UPS se volvi confusa.

Por esta razn la IEC (International Electrotechnical Commission)

cre estndares para los diferentes tipos de UPS y los mtodos

usados para la medicin de su operacin, estabilizando su

clasificacin. Esta estabilizacin fue adoptada por el CENELEC

(European Standardization Committee), por lo que se crearon las

normas IEC 62040-3 y su equivalente europea ENV 50091-3, las

que claramente definen tres tipos de UPS: [12][13]

Pasivo Standby (OFF LINE)

Linea-Interactiva

Doble Conversin (ON LINE)

40

Una vez definida la identificacin apropiada de las diferentes

topologas de UPS se indica la naturaleza bsica de su diseo.

Los fabricantes producen modelos con diseos o topologas

similares, pero con caractersticas de desempeo muy diferentes,

entre los ms utilizados en la industria estn: Standby, Standby-

Ferro, Lnea Interactiva, Doble Conversin Online y Delta

Conversin Online.

2.3.1. UPS Standby

En 1980s, los tipos de cargas y los rangos de potencias

incrementaron substancialmente y se desarroll el UPS Off

Line, el trmino corresponde al contrario a On Line.

La topologa de este tipo de UPS se ilustra en la Figura 2.2

e incluye un filtro cuya funcin no est claramente definida,

y ocasionalmente se presenta como un regulador de voltaje.

Bsicamente consiste en un inversor conectado en paralelo

a la lnea de alimentacin AC, conformando as una

configuracin Pasiva - Stand by (no es continua), donde el

interruptor de transferencia est regulado para elegir entre la

entrada AC filtrada, la cual es la fuente de energa primaria

(dibujo en lnea slida), y la batera/inversor, siempre que la

41

fuente de energa primaria falle. Por definicin, el tiempo de

transferencia para la operacin del inversor es de

aproximadamente cinco milisegundos. Esto significa una

perdida de energa en su salida la cual se considera

insignificante para la mayora de las cargas, pero para

cargas crticas o sensibles esto es un tiempo

considerablemente largo, por lo que no se recomienda su

utilizacin en este tipo de cargas.

En conclusin este tipo de UPS provee un nivel de

proteccin bsico y elimina ciertos problemas de la red

elctrica con cierto grado de intensidad. Tpicamente estn

diseados para un rango de capacidades que oscila entre

los 300 VA a los 2000 VA. El UPS Standby es el ms

utilizado para Computadoras Personales.

FIGURA 2.2: Diagrama UPS STAND BY

42

2.3.2. UPS Stand By Ferro

Este diseo depende de un transformador de saturacin

especial conformado por tres devanados (conexiones de

energa). Su modo de operacin es similar al de Stand By

con la diferencia de que el transformador tiene una

capacidad especial Ferro-resonante, la cual provee

regulacin de voltaje limitado y una salida con un pequeo

rizado. [12][13]

Figura 2.3: UPS Standby-Ferro

2.3.3. UPS Lnea Interactiva

Los UPS de Lnea Interactiva tienen un modo de operacin

bastante similar a los Stand By con la diferencia de que

continuamente estn monitoreando el voltaje de la red

elctrica comercial y lo acondicionan de tal manera que la

43

carga recibe un voltaje regulado. Dicho acondicionamiento

no protege de todos los problemas que existen en la red

elctrica, por lo tanto, brinda un nivel intermedio de

proteccin (cercano al 85%).

El UPS de Lnea Interactiva, ilustrado en la figura 2.3,

muestra que el convertidor operando en su modo inversor,

siempre est conectado a la salida del UPS. Cuando el

servicio de energa falla o existe un problema por un voltaje

variante fuera del rango de tolerancia, el interruptor de

transferencia se abre y la energa fluye desde la batera a la

salida del UPS a travs del convertidor. El valor de la

transferencia o conmutacin es menor a los 5 ms.

Adems, el diseo de Lnea Interactiva usualmente

incorpora un regulador de voltaje, el cual puede ser una

tarjeta electrnica o un transformador con taps (tap-

changing), de modo que mientras el voltaje de la red

comercial va cambiando, los taps automticamente van

variando con el fin de regular el voltaje de salida ajustando

la corriente de salida a medida que el voltaje de entrada

vara. Esta tecnologa es sumamente importante, ya que

44

cuando existe una condicin de bajo voltaje a la entrada, el

UPS regula el voltaje y as se evita la transferencia a la

batera, prolongando su tiempo de vida, ya que su uso

frecuente podra causar fallas prematuras en la misma. De

todos modos, el convertidor tambin puede ser diseado de

manera tal que si falla la batera, permita el flujo de energa

de la entrada AC a la salida.

Como caractersticas principales del UPS Lnea Interactiva

tenemos: Alta eficiencia, pequeo tamao, bajo costo y alta

confiabilidad, junto con la habilidad de corregir condiciones

de voltaje de lneas bajas o altas. Es el tipo dominante de

UPS en rangos de energa de 500 VA a 5000 VA. Es el

diseo ms comnmente utilizado para pequeos negocios,

Web y servidores departamentales.

FIGURA 2.4: Diagrama UPS Lnea Interactiva

45

2.3.4. UPS de Doble Conversin Online

Este es el UPS ms utilizado sobre 10kVA, tambin llamado

On Line debido a que el Inversor se encuentra dentro de la

lnea principal de energa operando en todo momento. El

diagrama de bloques de este tipo se ilustra en la Figura 2.5

y es muy similar al de standby, excepto que el paso de la

energa primaria es a travs del convertidor. Esta

tecnologa es la ms cara de todas por ser la que ofrece el

mayor nivel de proteccin.

FIGURA 2.5: Diagrama UPS Doble Conversin Online

Una caracterstica importante de esta topologa es la doble

conversin, la cual consiste en convertir la energa de

46

entrada alterna en corriente directa y posteriormente en

corriente alterna. De esta manera se logra recargar el

banco de bateras a la vez que se eliminan la gran mayora

de disturbios encontrados en la lnea elctrica comercial,

disponiendo as de una salida sinusoidal pura y limpia.

En este diseo, una falla en la entrada AC no activa el

interruptor de transferencia debido a que est cargando la

batera constantemente, de modo que pueda proveer de

energa al convertidor de salida. Es importante resaltar que

los UPS On Line no presentan cadas de voltaje o tiempos

de transferencia asociada con la transferencia del inversor.

Solo en caso de falla o mantenimiento el UPS transfiere la

carga a la lnea comercial (Bypass).

La etapa rectificadora que carga la batera y la inversora que

alimenta la carga total, reducen la eficiencia del convertidor

y aumentan la generacin de calor asociado y, debido al

constante funcionamiento de todos los componentes de

energa se reduce la confiabilidad en relacin a los otros

diseos. La energa consumida es una parte significativa

del costo del ciclo de vida del UPS.

47

El UPS On Line se presenta como la mejor alternativa en

cuanto a calidad de equipo porque la carga siempre est

siendo alimentada por el Inversor, estabilizando el voltaje

permanentemente, la frecuencia tambin permanece estable

y la forma de onda es sinusoidal. Por lo anteriormente

expuesto esta tecnologa es apropiada para un gran

nmero de computadoras, grupos de servidores, sistemas

automatizados y aplicaciones estratgicas e industriales.

Estos UPS se disean en un rango de capacidades de 700

VA hasta 4.5 MVA.

2.3.5. UPS Delta Conversin Online

ste UPS, es uno de los ms modernos y fue introducido

para eliminar los inconvenientes del diseo de Doble

Conversin On-Line y est disponible en rangos desde

5kVA a 1,6MVA. Opera de forma similar al diseo de Doble

Conversin On Line, con el convertidor suministrando voltaje

a la carga todo el tiempo con el distintivo de aportar energa

al convertidor de salida, aumentando la eficiencia.

48

FIGURA 2.6: Diagrama UPS Delta Conversin Online

2.3.6. Aplicaciones de las Topologas

La eleccin de un modelo de topologa especfica de UPS

para determinada aplicacin depender de las

caractersticas de cada uno. Como atributos principales de

las topologas de UPS podramos citar: la eficiencia, la

calidad de implementacin y fabricacin, los rangos de

operacin, y los atributos de diseo. A continuacin una

tabla que resume los atributos Vs. Las topologas.

TABLA 2.1: Tabla comparativa de los atributos de diseo Vs. topologas

de los UPS

49

La seleccin del UPS adecuado est sujeta a sus atributos y

principalmente al tipo de carga que se desea proteger, para

lo cual se presenta a continuacin una tabla que resume las

posibles aplicaciones.

TABLA 2.2: Aplicaciones de las Topologas de UPS

2.3.6.1. Ventajas y Desventajas

TABLA 2.3: Ventajas y desventajas del UPS Stand By

50

TABLA 2.4: Ventajas y desventajas del UPS Lnea

Interactiva

TABLA 2.5: Ventajas y desventajas del UPS Doble

Conversin

La comparacin entre las tres topologas principales

muestra que el de Doble Conversin ofrece muchas

ms ventajas debido principalmente a la posicin

del UPS conectado en serie con la carga. Adems,

este modelo no tiene mayores desventajas, salvo su

elevado costo, el que no es comparable con la

cantidad de beneficios que ofrece, volvindose

indispensable para cargas cuya naturaleza es

51

crtica. Por lo anteriormente expuesto los tres tipos

de UPS se emplean a bajas potencias (menores a

2KVA), sin embargo para potencias mayores se

recomienda el uso del de Doble Conversin.

Entre las ventajas y desventajas que tienen las

diferentes topologas se encuentran tambin los

problemas de Calidad de Energa que mitigan. A

continuacin las grficas porcentuales de los

principales problemas en la red elctrica y la

efectividad de cada una de las topologas ante los

mismos.

FIGURA 2.7: Efectividad vs. Frecuencia de Problemas de

Calidad de Energa UPS Stand By

Los porcentajes de la Fig. 2.7 corresponden a

valores promedio, ya que la ventana de proteccin

de esta topologa contra los problemas elctricos de

52

la red oscila entre el 60 70 % dependiendo del

modelo y fabricante.

.


Calidad de Energa UPS Lnea Interactiva

Los porcentajes de la Fig. 2.8 corresponden a

valores promedio, ya que la ventana de proteccin

de esta topologa contra los problemas elctricos de

la red oscila entre el 80 85 % dependiendo del

modelo y fabricante. [14]


Calidad de Energa UPS Doble Conversin

53

2.4. Seleccin de la Topologa a utilizar

Una vez explicadas todos los tipos de Topologas, sus

caractersticas, ventajas y desventajas; las diferencias son

notables, por lo que es importante su consideracin al momento de

seleccionar un modelo. Por lo tanto, existen diversos factores que

de acuerdo a su importancia se deben tomar en cuenta al

momento de la seleccin de una topologa en especial. En orden

de importancia:

1. Naturaleza de la carga y consumo: Qu tan sensible es la carga

y qu tan crtica es la continuidad de su funcionamiento.

2. Los problemas a mitigar: Qu problemas de calidad de Energa

se presentan en la red.

3. Costo: Cunto se est dispuesto a invertir para solucionar el

problema.

2.5. UPS Lnea Interactiva

Para este proyecto se ha escogido para su diseo un UPS de

configuracin de Lnea Interactiva.

54

2.5.1. Principio de Funcionamiento

En el literal 2.3.3 se estudio la topologa del UPS de Lnea

Interactiva, revisando sus caractersticas principales y sus

componentes. Su modo de operacin se divide en tres

etapas principales de funcionamiento: [15]

ETAPA 1: Operacin Fuera de Lnea

FIGURA 2.10 UPS Lnea Interactiva Operacin Normal

ETAPA 2: Operacin en presencia de Fallas (Interrupciones)

FIGURA 2.11. UPS Lnea Interactiva Operacin en Falla

55

La alimentacin a la carga llega a travs del convertidor

transfiriendo la energa de la batera. Para esto el

convertidor opera en MODO INVERSOR (DC / AC).

ETAPA 3: Recarga de la Batera

FIGURA 2.12: UPS Lnea Interactiva Recarga de Batera

La alimentacin a la carga llega directo de la red comercial,

y a su vez se recarga la batera a travs del convertidor

operando en MODO RECTIFICADOR (AC / DC).

La ETAPA 2 vara de acuerdo al diseo de control para la

regulacin de voltaje. De modo que en presencia de un

SAG o SWELL de tensin el convertidor se encarga de su

debida compensacin usando los dos modos de operacin.

56

Se debe resaltar que este tipo de UPS presenta las

siguientes caractersticas:

Monitoreo y acondicionamiento continuo del voltaje de la

red elctrica comercial, regulando la alimentacin de la

carga.

Corrige del 80 al 85% de los problemas existentes de

Calidad de Energa: Sags y Swells de tensin,

Transientes e Interrupciones. (Figura 2.8).

Tiempo de Conmutacin menor a 5ms

Rangos de operacin de 500VA hasta 5000VA

2.5.2. Ventajas y Desventajas

Las ventajas y desventajas de esta topologa se resumen en

la tabla 2.4 y en la Figura 2.7, por lo que para este punto

realizaremos un anlisis comparativo entre el UPS de Lnea

Interactiva y el de Doble Conversin, por ser este ltimo el

de mayor eficiencia en la compensacin de problemas de

calidad de energa: [13]

57

TABLA 2.6: Diferencias UPS Lnea Interactiva y Doble Conversin

2.5.3. Etapas de Operacin

Como se ha mencionado en los prrafos precedentes, el

UPS de Lnea Interactiva basa su funcionamiento en un

Convertidor que opera en dos etapas:

MODO INVERSOR (Figura 2.11)

MODO RECTIFICADOR (Figura 2.12)

2.5.3.1. Etapa Inversora

El principal propsito de sta etapa es la de proveer

un voltaje de salida AC a partir de una fuente de

poder DC. En esta etapa la amplitud, fase y

frecuencia deben ser controlables, con el fin de

58

obtener una adecuada tensin de salida AC para

alimentar la carga que se proteger.

La figura 2.13 muestra la estructura bsica de cada

uno de los componentes que conforman la etapa

inversora:

Fuente DC: Formado por bancos de Bateras,

puede estar acompaada de capacitores para

filtrar la seal.

Interruptores Estticos (Compuertas): Tenemos

varias opciones segn su velocidad de

conmutacin y potencia. Entre ellos tenemos a

los SCR, GTO, IGBT y MOSFET.

Carga

FIGURA 2.13. Estructura Inversor

59

Segn se definan los disparos para el control de

encendido y apagado de los Interruptores, stos

operarn de tal forma que generen a la salida un

voltaje AC regulado tanto como el diseo lo permita.

FIGURA 2.14. Salida del Inversor

En la Figura 2.14 se muestra el Voltaje Vab

generado por el Inverter a partir de una seal PWM

que comande la conmutacin de los Interruptores.

2.5.3.2. Etapa Rectificadora

Como se mencion antes el convertidor puede

funcionar tanto como Inversor o Rectificador, lo que

los diferencia es el control para la conmutacin de los

Interruptores, siendo el propsito de esta etapa el

convertir una Seal AC a una DC para recargar la

Batera.

60

La Fig. 2.15 muestra un Rectificador, donde la

estructura es la misma, cambiando solamente el

sentido de la corriente y la Fig. 2.16 muestra la seal

de voltaje Rectificada.

FIGURA 2.15. Estructura Rectificador

El estudio de ambas etapas se profundizara en el

Capitulo 3.

2.5.4. Caractersticas de la Batera

Para este proyecto se utilizar un banco de bateras de

plomo recargables, hermticamente selladas para evitar

derramamientos de cidos, y que pueden operar corrientes

en ambas direcciones.

61

Las caractersticas de la batera se pueden revisar en el

anexo C, a continuacin mencionaremos las ms

importantes: (ANEXO C)

Voltaje Nominal: 12VDC (6 celdas en serie)

Capacidad Nominal: 7 Amp. Horas

Resistencia Interna:

CAPTULO 3

3. PRINCIPIOS DE CONVERTIDORES PWM

3.1 Convertidores DC-DC

Los convertidores DC-DC son ampliamente usados en fuentes de

voltaje DC regulado por conmutacin y en control de velocidad de

motores DC. La principal funcin de los convertidores DC - DC es la de

convertir un voltaje de entrada DC no regulado en voltaje de salida con

un nivel deseado.[1]

El voltaje de salida en un convertidor DC - DC es generalmente

controlado a travs de la conmutacin de un switch (interruptor), como

el que se muestra en la Fig. 3.1.

63

FIGURA 3.1 Esquema Convertidor DC-DC Bsico.

La regulacin del voltaje de salida promedio en un convertidor DC-DC

se muestra en la Fig. 3.2 y est en funcin de:

Tiempo de Encendido del Switch (ton),

Ancho de Pulso, y,

Frecuencia de Switcheo (fs).

FIGURA 3.2 Forma de onda de un convertidor DC-DC.

64

3.1.1 Reductor (Buck)

El convertidor Buck o Reductor regula el voltaje de salida

promedio a un nivel menor que el voltaje de entrada o de la

fuente, a travs de una conmutacin controlada. [1]

Es comnmente usado en fuentes de poder DC regulado, como

en las computadoras y equipos de instrumentacin.

El nivel de voltaje de salida promedio se vara ajustando el

tiempo de conmutacin entre sus dos posiciones, lo que en

trminos de ciclo de trabajo y voltaje de entrada, sera:

io DVV = (3.1)

:OV Voltaje de Salida

:D Ciclo de Trabajo

:iV Voltaje de Entrada

65

FIGURA 3.3 Convertidor Buck o Reductor.

3.1.2 Elevador (Boost)

Un convertidor Boost regula el voltaje de salida promedio a un

nivel ms alto que el voltaje de entrada o de la fuente. [2]

El voltaje DC de entrada esta en serie con un inductor el cual

acta como fuente de corriente. Un switch en paralelo con la

fuente de corriente y con la salida, es desconectado

peridicamente, suministrando energa desde el inductor y la

fuente logrando el incremento de su voltaje de salida promedio.

A continuacin el esquema bsico del convertidor Boost o

Elevador.

66

FIGURA 3.4 Convertidor Boost o Elevador.

Al igual que el convertidor Buck, la elevacin del nivel de voltaje

de salida se logra ajustando el tiempo de conmutacin, lo que en

trminos de ciclo de trabajo y voltaje de entrada dada la nueva

disposicin de los elementos sera:

io VDV

)1(1

-= (3.2)

:OV Voltaje de Salida

:D Ciclo de Trabajo

:iV Voltaje de Entrada

67

3.1.3 Modelos

En el estudio de la Electrnica de Potencia son necesarios

diferentes tipos de anlisis para entender el comportamiento de

una seal, existiendo para cada tipo un cierto grado en que

resulta apropiado representar, mediante una simulacin, los

componentes y el controlador de un circuito. Existen diferentes

modelos debindose siempre verificar los resultados con

prototipos de laboratorio y se clasifican en:

Modelos de gran seal

Modelos de pequea seal

3.1.3.1 De gran seal

Los modelos de gran seal se refieren a las ecuaciones

y sus respectivos circuitos equivalentes (si es que los

hay), que reflejan los valores instantneos de las

seales de inters, y permiten entender mejor el

funcionamiento del circuito.

68

FIGURA 3.5 Diagrama de Gran Seal del Buck

DVV

DVvV

in

o

incpo

=

==

FIGURA 3.6 Ecuaciones del Convertidor Buck Gran Seal

3.1.3.2 De pequea Seal

El modelo de pequea seal no es otra cosa que la

linealizacin de los modelos de gran seal para poder

analizar las pequeas variaciones de las seales de

inters en el entorno de un punto de operacin. Si el

modelo resultante tiene varias variables de entrada

(perturbaciones), stas se analizan una a la vez fijando

las otras a cero, para poder obtener el efecto de esta

variacin en una variable de salida de inters. A partir de

69

este anlisis se pueden obtener las funciones de

transferencia necesarias para disear el control de lazo

cerrado. El mismo concepto se aplica para

convertidores trifsicos. Si no es necesario se pueden

obviar los circuitos equivalentes y trabajar directamente

con las ecuaciones.

FIGURA 3.7 Circuito equivalente Pequea Seal

FIGURA 3.8 Diagrama de Pequea Seal del Buck

70

( )

++

++

+=

D

D+D=D

D+D=D

L

ESRESR

L

ESRino

cpcpvp

vpvpcp

RR

LCsCRRLs

sCRVdv

dIiDi

dVvDv

11

1

2

FIGURA 3.9 Ecuaciones del Convertidor Buck Pequea Seal

3.2 Convertidores Trifsicos

Se puede considerar a un convertidor trifsico como la unin de tres

convertidores DC-DC con seales de referencias (moduladoras)

alternas con un nivel DC. La diferencia entre los voltajes de salida

resulta puramente alterna. Existen diferentes tcnicas de conversin

siendo de particular inters la de PWM (Modulacin por Ancho de

Pulso) por permitir la operacin a frecuencia constante y variable. [1]

3.2.1 Inversores PWM

Los Convertidores de DC AC se denominan Inversores y su

funcin es cambiar un voltaje de entrada DC a un voltaje trifsico

de salida AC, con una magnitud y frecuencia deseadas.

71

El voltaje de salida puede ser fijo o variable, a una frecuencia fija

o variable. Un voltaje variable de salida se puede obtener

haciendo variar el voltaje de entrada DC y manteniendo

constante la ganancia del inversor; o, con un voltaje DC de

entrada fijo, no controlable, pero haciendo variar la ganancia del

inversor, lo que se consigue normalmente con modulacin de

ancho de pulso.

DCENTRADA

ACSALIDA

VV

GANANCIA_

_= (3.3)

Con la disponibilidad de dispositivos semiconductores de

potencia de alta velocidad, se pueden minimizar los contenidos

de armnicos del voltaje de salida, o al menos reducirlos de

forma importante, mediante tcnicas de conmutacin.

En aplicaciones de grandes potencias se puede conectar tres

puentes inversores monofsicos para formar la configuracin de

un inversor trifsico, siempre que las seales de control de los

72

inversores monofsicos estn separados 120 entre s, para

obtener voltajes fundamentales trifsicos balanceados.

Tambin se puede obtener una salida trifsica con una

configuracin de seis transistores y seis diodos.

FIGURA 3.10 Inversor Trifsico 6 Transistores y 6 Diodos.

En el Inversor PWM, se hace una Modulacin Sinusoidal por

Ancho de Pulso (SPWM), variando el ancho de cada pulso en

proporcin a la comparacin entre una seal sinusoidal de

referencia con una onda portadora triangular de frecuencia fc.

A la salida del convertidor se encuentra un Filtro Inductivo que

filtrar la seal de corriente que va a la carga. [1]

73

FIGURA 3.11 a) Modulacin SPWM, b) Voltaje Modulado A, c) Voltaje

Modulado B, d) Voltaje Modulado C, e) Voltaje Vab, f) Voltaje Vbc, g) Voltaje Vca.

74

3.2.2 Rectificador PWM

Los Convertidores de AC DC se denominan Rectificadores y su

funcin es cambiar un voltaje de entrada AC Trifsico a un voltaje

DC.

El convertidor genera un voltaje cuya fundamental corresponde a

una sinusoidal que atrasa al voltaje de la lnea a un determinado

ngulo, que puede ser controlado, manteniendo as el voltaje DC

al nivel deseado.

La corriente es filtrada por el inductor, mientras que el voltaje de

la lnea no necesita ser filtrado, pues es independiente de la

corriente. [1]

Los rectificadores PWM tienen las siguientes ventajas:

1. Tanto el voltaje como la corriente pueden ser modulados (a

travs de modulacin de ancho de pulso PWM), generando

menos armnicos en el sistema.

75

2. Se puede controlar el Factor de Potencia.

3. Se puede disear rectificadores tanto con Fuente de Voltaje o

Corriente.

4. El factor de potencia se puede invertir invirtiendo la corriente

en el enlace DC.

FIGURA 3.12 Rectificador con Modulacin PWM.

3.2.3 Modulacin Sinusoidal

La Modulacin Sinusoidal por Ancho de Pulso (SPWM), es la

tcnica de modulacin mas utilizada a nivel industrial en la

actualidad. Para este anlisis se lo aplicar al circuito descrito en

la figura 3.10

76

En esta tcnica el ancho de los pulsos se vara de acuerdo a la

proporcin resultante de la comparacin de las onda sinusoidales

( rav , rbv , rcv ) con una onda triangular de alta frecuencia. Se

definen entonces, las seales sinusoidales como de referencia,

con una frecuencia fr, y, la seal triangular como la portadora,

con una frecuencia fc. La relacin entre ambas frecuencias debe

ser:

rc ff >> (3.4)

FIGURA 3.13 Comparacin entre la Portadora y la Referencia

Y adems, dicha relacin debe ser siempre impar y mltiplo de

tres, de modo que se garantice que los voltajes de fase

generados (VaN, VbN y VcN), que son los que controlan la

conmutacin, sean idnticos en todo momento, desfasados 120

entre s y libres de armnicos pares; es ms, de este modo las

corrientes armnicas mltiplos de tres estn en fase y se pueden

eliminar fcilmente utilizando una conexin en Y de la carga, con

77

lo que se logra que la Distorsin Armnica Total disminuya,

consiguiendo por ende una onda sinusoidal menos deformada y

uniforme en todas las fases.

FIGURA 3.14 Voltajes Modulados Generados (VaN, VbN y VcN)

La frecuencia fr ser la que determine la frecuencia de la seal

de salida del inversor (fo), y su amplitud pico Ar es la que, por

definicin, controla el ndice de modulacin M. [3]

10

78

Donde:

cA : Amplitud pico de la seal portadora

rA : Amplitud pico de la seal referencia

sV : Voltaje DC de entrada

oV : Voltaje Pico de Salida Inversor

M : ndice de Modulacin

VOLTAJES DE LINEA A NEUTRO

( ) ( )tMVtVV osooaN ww coscos == (3.6)

( ) ( )32cos32cos pwpw -=-= tMVtVV osoobN (3.7)

( ) ( )32cos32cos pwpw +=+= tMVtVV osoocN (3.8)

VOLTAJES DE LINEA A LINEA

+=-=

6cos3 pw tVMVVV osbNaNab (3.9)

-=-=

2cos3 pw tVMVVV oscNbNbc (3.10)

+=-=

65cos3 pw tVMVVV osaNcNca (3.11)

79

3.2.4 Modelos

El modelo a implementar se basa en un UPS de Lnea Interactiva

descrito de forma unifilar en el esquema a continuacin.

FIGURA 3.15 Unifilar de un UPS Lnea Interactiva

Las partes que componen el sistema del UPS son las siguientes:

La Fuente DC: Banco de Bateras

Convertidor Trifsico: Conformado por un Modulo de IGBTs

Filtro Pasivo: Inductor Capacitor (Filtro Pasa Bajos)

Fuente de Alimentacin AC: Red Trifsica

Carga: Banco de Resistencias

80

FIGURA 3.16 Esquema Electrnico de un UPS Lnea Interactiva

Para la modelacin del UPS en modo rectificador no se

considerar el banco de capacitores ni la carga, por estar en

paralelo con la fuente AC.

FIGURA 3.17 Esquema Electrnico del UPS MODO RECTIFICADOR

81

Segn el diagrama, las variables en el dominio del tiempo se

definirn:

SEALES TRIFASICAS

=

Sc

Sb

Sa

S

VVV

V (3.12)

=

MODc

MODb

MODa

MOD

VVV

V (3.13)

=

MODc

MODb

MODa

MOD

III

I (3.14)

De donde se obtiene:

SMODMOD

MOD VIRtILV ++

= (3.15)

Para el anlisis y la modelacin de las ecuaciones se debe

trasformar el Sistema Trifsico conocido, de referencia Esttica

(a-b-c), a uno de Dos Fases Ortogonales Rotacional (d-q). Para

este propsito utilizaremos la trasformada de Park.

82

( )

( )

--

---

-

-

=

34sin

32sinsin

34cos

32coscos

32

pw

pww

pw

pww

ttt

tttT (3.16)

( )

( )

--

---

-

-

=

c

b

a

q

d

xxx

ttt

ttt

xx

34sin

32sinsin

34cos

32coscos

pw

pww

pw

pww

(3.17)

Luego aplicamos la Trasformada de Park a la ecuacin 3.17.

SMODMOD

MOD VTIRTtILTVT ++

= (3.18)

Vectorialmente:

+

+

=

Sc

Sb

Sa

MODc

MODb

MODa

MODc

MODb

MODa

MODc

MODb

MODa

VVV

TIII

RTIII

tLT

VVV

T (3.19)

Para la obtencin del modelo utilizaremos el mtodo matemtico

de derivadas parciales que nos proporcione el trmino t

IT MOD

83

( ) ( ) ( ) MODMODMOD ITtItTITt

+

=

(3.20)

( ) ( ) ( ) MODMODMOD ITtITtItT

-

= (3.21)

Donde:

( ) ( ) MODqMOD

dMODMOD ITtI

It

It

T

-

= (3.22)

Derivando la Matriz de la Transformada de Park de la ecuacin

3.21 obtenemos

( )( )

( )

--

---

--

---

=

34cos

32coscos

34sin

32sinsin

32

pww

pwwww

pww

pwwww

ttt

tttT

t (3.23)

Donde: ( )

-

=

dMOD

qMODMOD I

IIT

tw (3.24)

Reemplazando: ( )

-

-

=

dMOD

qMOD

qMOD

dMODMOD I

III

tI

tT w (3..25)

Desarrollando la ecuacin 3.22

84

+

+

-

-

=

qS

dS

qMOD

dMOD

dMOD

qMOD

qMOD

dMOD

qMOD

dMOD

VV

II

RI

IL

II

tL

VV

w (3.26)

Separando las ecuaciones en sus dos fases tenemos:

( ) qMODdSdMODdMODdMOD LIVRIItLV w-++

= (3.27)

( ) dMODqSqMODqMODqMOD LIVRIItLV w+++

= (3.28)

Se asume que SdS VV = y que 0=qSV porque se toma como

referencia al voltaje de la fuente, entonces:

( ) qMODSdMODdMODdMOD LIVRIItLV w-++

= (3.29)

( ) dMODqMODqMODqMOD LIRIItLV w+++

= 0 (3.30)

Por medio de un desacoplamiento en el compensador, como se

mostrara en el modelo final, y para simplificar el modelo, se

obvian los trminos qMODLIw- y dMODLIw . Aplicando la

Transformada de Laplace se obtiene:

85

dMODdMODdMOD RIsLIV += (3.31)

Despejando:

LRs

LVI

dMOD

dMOD

+=

1

(3.32)

De igual forma con la Ec. 3.30:

LRs

LVI

qMOD

qMOD

+=

1

(3.33)

De la parte correspondiente a la Fuente DC, se especifican las

siguientes ecuaciones de Potencia Activa:

MODDC PP = (3.34)

SRDC PPP += (3.35)

Considerando que la Potencia consumida por la Resistencia (PR)

es despreciable en comparacin con la Potencia de la

Alimentacin Trifsica (PS), la asumiremos como cero.

SDC PP = (3.36)

( )qMODqSdMODdSDCDC IVIVIV + 23 (3.37)

86

Y de acuerdo a lo previamente definido por el desfase de 0,

quedara:

dMODSDCDC IVIV 23

(3.38)

Por lo tanto las relaciones entre Voltajes y Corrientes, estaran

descritas en la siguiente ecuacin:

S

DC

DC

dMOD

VV

II

32

(3.39)

3.2.5 Controlador

Para la realizacin de todo control lo primero que se realiza es la

adecuacin de las variables a controlar. Para este caso esta

variables tienen un comportamiento sinusoidal por lo cual nos

valemos de las diferentes transformadas conocidas para obtener

comportamientos DC que simplifican el diseo del control.

87

3.2.5.1 Transformada de Park

Las transformaciones matemticas se usan

frecuentemente para separar variables, facilitando la

resolucin de ecuaciones complejas que estn en

funcin del tiempo. Para la realizacin del control se

debe transformar un sistema coordenado trifsico

balanceado estacionario (abc) en uno de dos

coordenadas ortogonales rotativo (dq). Con este objeto

se utilizar dos transformaciones denominadas: [17][18]

Transformada de Clark

Transformada de Park

La funcin de la transformada de Clark permite convertir

un Sistema Trifsico Estacionario Equiespaciado a un

Sistema Ortogonal gba ,, tambin estacionario, donde

0=g , por lo que realmente se trata de un sistema de

dos coordenadas.

88

FIGURA 3.18 Trasformada de Clark

Las ecuaciones que definen la transformada son:

-

--=

c

b

a

VVV

23

230

21

211

32

ba

(3.40)

La funcin de la Transformada de Park es convertir el

sistema de dos Coordenadas Ortogonales estacionarias

a un sistema rotativo (dq) con una velocidad angular w

( ) ( )qbqa sincos +=dV (3.41)

( ) ( )qbqa cossin +-=qV (3.42)

89

FIGURA 3.19 Trasformada de Park

Es de inters para este estudio la Inversa de la

Transformacin de Park, dada por las ecuaciones:

0)cos()sin( VtVqtVdVa ++= ww (3.43)

( ) ( ) 032cos32sin VtVqtVdVb +-+-= pwpw (3.44)

( ) ( ) 032cos32sin VtVqtVdVc ++++= pwpw (3.45)

3.2.5.2 Controladores PI

Los controladores continuos se utilizan en controles de

lazo cerrado. Existen distintos tipos de controladores

continuos; los principales son los tipos:

90

Proporcional (P)

Proporcional Integral (PI)

Proporcional Integral Derivativo (PID)

Los tipos de controladores se diferencian entre s segn

su dinmica, es decir, en la rapidez con la que llevan el

valor real hasta el valor de referencia en funcin del nivel

de desviacin del control.

La accin de un controlador Proporcional Integral,

como su nombre lo indica consta de dos partes

fundamentales:

La parte proporcional, correspondiente al producto

entre la seal de error (Diferencia entre Referencia y

Salida) y la constante proporcional pK , seleccionada

para que haga la calibracin del error de estado

estable. La parte Proporcional no considera el

tiempo por lo que es necesario combinarla con las

componentes integral y/o derivativas

91

La parte integral, esta en funcin del tiempo y busca

disminuir y eliminar el error de estado estable, en

muchos casos incrementado por la constante

proporcional. Su operacin consiste en promediar el

error durante un tiempo determinado y luego

multiplicarlo por la constante integral iK para

finalmente en combinacin con la parte proporcional

obtener una respuesta estable en el sistema. [16]

FIGURA 3.20 Diagrama de Bloques de un Control PI

3.2.5.3 Circuito PLL

Un circuito PLL (Phase Locked Loop) es un sistema

realimentado cuyo objetivo principal consiste en la

generacin de una seal de salida de amplitud fija; y,

frecuencia y fase coincidente con la de la entrada.

92

Comprende tres etapas fundamentales:

Detector de fase: Suministra una salida que depende

del desfase entre las seales de entrada y de salida.

Y alimenta el filtro Pasa Bajos con la diferencia entre

sus frecuencias.

Filtro Pasa-Bajo: Cumple con su funcin de filtrar

frecuencias bajas proporcionando a la salida un

voltaje en base a la diferencia de frecuencias de la

etapa anterior.

Oscilador Controlado por Tensin: Genera la tensin

de salida ( oV ), con frecuencia dependiente del voltaje

de salida del Filtro.

FIGURA 3.21 Diagrama de un Control PLL

93

La operacin del PLL se da en dos pasos. El primero

consiste en sincronizar las frecuencias de las seales de

Entrada y Salida. Como el Voltaje de salida est en

funcin del Voltaje del Filtro, el que a su vez depende del

desfase s-o, una vez que la sincronizacin se ha

conseguido y dado que la realimentacin impone que en

rgimen permanente, las seales de entrada y salida

tengan un desfase dependiente de la desviacin de

frecuencia, se da el segundo paso, que consiste en

eliminar el desfase. [19]

3.3 Diseo del Convertidor Trifsico para un UPS Lnea Interactiva

De acuerdo a las caractersticas descritas en al captulo anterior del

UPS a disear, se seleccion como Convertidor Trifsico para la

implementacin, un modulo conformado por seis IGBT.

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Tesis SVPWM Para Deber 5