Escuela de Ingeniería Eléctricaopac.pucv.cl/pucv_txt/txt-8500/UCC8853_01.pdfCA y CA-CC. A estos...

Informe Proyecto de Título de Ingeniero Eléctrico

Daniel Alejandro Contreras Vasquez

Estudio y simulación de un estabilizador de tensión alterna de baja potencia basado en un

puente completa transistorizado normal y optimizado

Escuela de Ingeniería Eléctrica Facultad de Ingeniería

Valparaíso, 08 de abril de 2019

Daniel Alejandro Contreras Vásquez

Informe Final para optar al título de Ingeniero Eléctrico,

aprobada por la comisión de la

Escuela de Ingeniería Eléctrica de la

Facultad de Ingeniería de la

Pontificia Universidad Católica de Valparaíso

conformada por

Sr. Domingo Ruiz Caballero

Profesor Guía

Sr. Javier Riedemann Aros

Segundo Revisor

Sr. Sebastián Fingerhuth

Secretario Académico


Estudio y simulación de un estabilizador de tensión alterna de baja potencia basado en un puente completa

transistorizado normal y optimizado

Le dedico este trabajo a mi madre, que lo ha dado todo por mí, a mis amigos, a mis compañeros

del laboratorio de electrónica de potencia, en especial al Max, mención honrosa para él, a mi

polola que me acompaño durante este proceso final y a quien haga posterior y uso de esta tesis.

Agradecimientos Quiero agradecer expresamente a todas las personas que han sido parte de este proceso final, en

especial a la persona que ha dado todo por mí y porque esto sea posible, Maribel Vásquez, mi

madre, viejita eres la mejor. También me gustaría agradecer a mi polola y a mis compañeros del

laboratorio de electrónica de potencia, ya que sin ellos esto tampoco podría haber sido posible.

A todos ellos y a los amigos que hice durante este largo proceso les quiero dar mis infinitas gracias.


D.A.C.V

Resumen La industria actualmente ha incrementado la cantidad de cargas sensibles, con ello nace la

necesidad de realizar el estudio de una nueva versión de estabilizador de tensión alterna, con una

cantidad reducida de elementos semiconductores. Con ello, se proponen dos sistemas: el

primero con un número reducido de interruptores y otro que lo simplifica aún más.

En base a sistemas previos, con dinámica similar a la propuesta en este estudio, es que se tomarán

las consideraciones pertinentes al momento de desarrollar este proyecto. Teniendo en cuenta las

limitaciones y ventajas al momento de realizar pruebas en un software de simulación.

Se realizarán los estudios pertinentes para ambos sistemas propuestos, se compararan los

resultados y se definirá mediante simulación cuál de los dos sistemas presenta la mejor dinámica,

al momento de realizar la compensación de tensión frente a un Sag y un Swell. Se definirá cuál de

los sistemas es el más viable. Finalmente el sistema mejor calificado se evaluara en el peor

escenario posible, el cual cosiste en una carga R-C paralelo con un rectificador de voltaje, es decir,

la peor carga no-lineal.

Palabras claves: Sag, Swell, Restaurador Dinámico de Tensión, Compensación, Carga No-lineal.

Abstract

The industry has now increased the amount of sensitive loads, with this the need arises to study

a new version of alternating voltage stabilizer, with a reduced amount of semiconductor

elements. With this, two systems are proposed: the first with a reduced number of switches and

another that simplifies it even more.

Based on previous systems, with dynamics similar to the one proposed in this study, it is that the

pertinent considerations will be taken when developing this project. Taking into account the

limitations and advantages when carrying out tests in a simulation software.

The pertinent studies will be carried out for both proposed systems, the results will be compared

and it will be defined by means of a simulation which of the two systems presents the best

dynamics, at the moment of performing the compensation of tension against a Sag and a Swell.

It will be defined which of the systems is the most viable. Finally, the best qualified system will be

evaluated in the worst possible scenario, which consists of a parallel R-C load with a voltage

rectifier, that is, the worst non-linear load.

Key words: Sag, Swell, Dynamic Voltage Restorer, Compensation, Non-linear Load.

Índice general Introducción ................................................................................................................. 1

Objetivo general .................................................................................................................................. 2

1 Generalidades y Propuesta ...................................................................................... 3 1.1 Convertidores ................................................................................................................................ 3

1.1.1 Convertidor CA-CA ............................................................................................................. 3 1.2 Estabilizadores de tensión alterna............................................................................................... 3 1.3 Restauradores Dinámicos de Tensión (DVR’s) .......................................................................... 6 1.4 Modulación PWM o Modulación por ancho de pulso fijo ........................................................ 8 1.5 Propuesta ..................................................................................................................................... 10

2 Sistemas propuestos ............................................................................................... 11 2.1 Esquema de ambos sistemas en estudio................................................................................... 11 2.2 Ecuaciones de proyecto para ambos sistemas ......................................................................... 12 2.3 Tipo de modulación a emplear .................................................................................................. 14 2.4 Etapas y modos de operación sistema de 4 interruptores ....................................................... 15

2.4.1 Modos de operación ......................................................................................................... 16 2.4.2 Etapas de operación sistema con 4 interruptores ......................................................... 16 2.4.3 Etapas de operación sistema con 3 interruptores ......................................................... 18

3 Simulaciones de ambos sistemas y método de control propuesto ................... 20 3.1 Datos de simulación en lazo abierto ......................................................................................... 20

3.1.1 Modelado de ambos sistemas en Psim y sus Formas de onda ..................................... 22 3.2 Formas de onda de las simulaciones en lazo abierto de ambos sistemas ............................. 24 3.3 Método de control propuesto para ambos sistemas en estudio ............................................. 34

3.3.1 Control por corriente media instantanea....................................................................... 34 3.4 Simulaciones en lazo cerrado para ambos sistemas................................................................ 37

3.4.1 Simulaciones en lazo cerrado carga R-L......................................................................... 38 3.4.2 Simulacion en lazo cerrado para carga R-C y puente rectificador ............................... 45

3.5 Análisis armónico del sistema ................................................................................................... 53

4 Simulación del sistema ante un Sag y un Swell Repentinos .............................. 57 4.1 Simulacion ante un Sag repentino de tensión.......................................................................... 57

Índice general

4.2 Simulacion ante un Swell repentino de tensión ...................................................................... 60

Discusión y conclusiones .......................................................................................... 63

Bibliografía ................................................................................................................. 65

1

Introducción De acuerdo a los estudios realizados a lo largo del tiempo, la causa de muchas fallas de

funcionamiento de equipos y cargas sensibles, es la tendencia a variar que posee la tensión de

alimentación, está puede tanto aumentar como disminuir su valor eficaz, por esto que se utilizan

reguladores de tensión, para evitar este tipo de anomalías.

Si bien los reguladores de tensión convencionales a tiristor, son una solución factible a este tipo

de problemas, no son la mejor opción para la solución de las mismas, dado que estos generan un

alto contenido armónico y deficiente factor de potencia. De ahí que a partir de la década de los

90’s, se postuló uno de los primeros prototipos de estabilizadores de tensión.

Con relación a los estudios de cargas sensibles, tales como motores, data center y cualquier otro

tipo de carga que requiere tener un suministro de energía, el cual se mantenga invariante y libre

de perturbación en el tiempo, impulsó el estudio de los estabilizadores de tensión alterna, es allí

donde nace la necesidad de realizar este proyecto.

Si bien los reguladores de tensión y los estabilizadores de tensión tienen el mismo objetivo, el cual

es mantener una determinada tensión en la carga. En concreto, solo estabilizadores de tensión

logran conformar la forma de onda de la tensión, además de entregar un bajo contenido armónico

y excelente factor potencia, lo que no logran realizar los reguladores de tensión convencionales a

tiristor.

La necesidad de ir innovando en este campo, ha abierto un pasillo en la electrónica de potencia,

con el objetivo de siempre estar mejorando, con ello han realizado variados estudios de

estabilizadores de tensión, tanto monofásicos como trifásicos. Siendo el primero el con mayor

estudio, siempre buscando la forma de optimizar este tipo de sistemas y reducir el número de

elementos semiconductores, así como de disminuir el nivel de pérdidas de este tipo de circuitos.

Actualmente se encuentran estabilizadores de tensión que constan de un número reducido de

interruptores y a su vez un número reducido de snubbers (amortiguadores CC), de tal forma que

estos han dejado de llamarse estabilizadores y han pasado a ser llamados restauradores de

tensión dinámica, o como indican sus siglas en inglés, DVR’s (Dynamic Voltage Restorers).

En concreto junto con esto nace la necesidad de realizar este proyecto, el de una nueva versión

de un estabilizador de tensión o restaurador dinámico de voltaje, la finalidad de esta propuesta

Introducción

2

es lograr la misma dinámica que logran sus predecesores, pero con la modificación de reducir el

número de interruptores, lograr dinámicas de compensación de tensión, talos como Sag, Swell,

Sag y Swell de manera simultánea. El proyecto pretende generar impacto en el desarrollo de

estabilizadores de tensión dinámica. Logrando que los sistemas que se proponen mantengan

invariante y libre de perturbaciones la tensión del sistma.

Es debido a esto que nace esta propuesta y por consiguiente el objetivo general de este proyecto.

Objetivo general

Investigar un estabilizador de tensión alternada monofásico realizado con un inversor

puente completa y a su versión de menos transistores, aplicar y proponer un método de

control al conversor aplicado directamente a un sistema monofásico con variación de

tensión.

3

1 Generalidades y Propuesta Los reguladores de tensión convencionales son ampliamente utilizados en la industria pero no

son lo más óptimo, ya que inyectan demasiado contenido armónico al sistema, además de

proporcionar un deficiente factor de potencia, es por esto que nace la necesidad de estudiar e

implementar estabilizadores de tensión.

Estos sistemas están basados en dos conceptos, el de inversores y convertidores, uno utilizando

la topología del otro.

1.1 Convertidores

En la familia de los convertidores, podemos nombrar a los 4 grandes clásicos: CC-CC, CC-CA, CA-

CA y CA-CC. A estos sistemas se les puede aplicar las topologías de los convertidores buck, boost

y buck-boost. Particularmente se trabajará en el estudio de la topología buck enfocado en un

inversor AC-AC. [1]

1.1.1 Convertidor CA-CA

Es un convertidor que controla la tensión, la corriente, la frecuencia y la potencia media que

entrega una fuente alterna de tensión. Su funcionamiento se basa en que los interruptores

conectan o desconectan la fuente a intervalos regulares. Esta conmutación se genera mediante

un esquema denominado control por fase, que tiene por objetivo eliminar parte de la forma de

onda de la fuente antes de alcanzar la carga. Los inconvenientes de los convertidores CA-CA, al

igual que los rectificadores, es que presentan problemas con las corrientes armónicas que se

generan por la distorsión de onda sinoidal en la carga. Estos se dividen en dos grandes grupos:

Variadores de Frecuencia.

Controladores/reguladores de Tensión.

1.2 Estabilizadores de tensión alterna

Como se ha mencionado, los estabilizadores de tensión están basado en inversores con la

topología de uno de los convertidores clásicos, buck, boost, buck-boost, este estudio está

centrado en los estabilizadores basados en la topología buck ya que se requiere inyectar una

1 Generalidades y Propuesta

4

pequeña tensión ante una perturbación, ya sea Sag (también conocido como Deep o

hundimiento de tensión) o Swells (también conocidos como sobretensiones).

Las topologías más comunes de estos sistemas están basados en un puente rectificador y un

puente inversor, lo cual si bien es beneficioso en muchos casos, no es lo más óptimo, debido a la

gran cantidad de elementos semiconductores (interruptores) en su accionamiento, lo cual

aumenta las pérdidas del sistema. No obstante todos tienen la misma característica, la de inyectar

un bajo contenido armónico y proporcionar un excelente factor de potencia, del orden de 0,97 a

0,98.

En la figura 1-1 se muestra la topología que dio origen a este proyecto, como se puede apreciar

este sistema cuenta con un puente rectificador en sus primeros dos brazos y los siguientes dos

brazos actúan como un puente inversor basado en la topología de un convertidor buck. [3]

Figura 1-1 Acondicionador de línea con 8 interruptores, puente rectificador y puente inversor. [3]

Esta es la base para el estudio realizado en este proyecto, como se puede apreciar en las siguientes

imágenes, lo que se espera lograr en este estudio es algo similar, por no decir igual, pero

reduciendo la cantidad de elementos semiconductores involucrados.

Como se puede apreciar, el sistema consta de un transformador en serie el cual realiza la

compensación de tensión en la carga. El transformador es un elemento requerido en este tipo de

sistemas, basados en la topología buck, ya que la tensión que entrega el inversor es pequeña. [3]


5

Figura 1-2 Formas de onda de tensión de alimentación en la carga y salida en la carga ante un sag, (1) tensión de alimentación (4) tensión en la carga. [3]

Figura 1-3 Formas de onda de tensión de alimentación y salida en la carga ante un swell; (1) tensión de alimentación (4) tensión en la carga. [3]

Como se puede apreciar tanto en la Figura 1-2 como en la Figura 1-3 [3], este tipo de respuesta es

la que se espera de nuestro sistema pero con una menor cantidad de elementos semiconductores.


6

1.3 Restauradores Dinámicos de Tensión (DVR’s)

Los restauradores de tensión dinámicos, son los sistemas a los cuales está abocado este proyecto,

si bien es cierto estos sistemas constan de una menor cantidad de interruptores, están confinados

a un solo tipo de proceso regenerativo, ya sea compensación de Sags (hundimientos) o

compensación de Swells (sobretensiones).

El comportamiento de estos sistemas es bastante similar, al del sistema que se propone en este

proyecto. Al igual que en los estabilizadores de tensión, los DVR’s proporcionan un bajo

contenido armónico y un excelente factor de potencia, pero con la ventaja de que estos sistemas

utilizan una cantidad de interruptores bidireccionales, además de no utilizar un condensador

DC-link, el cual si utilizan los otros sistemas de este tipo, aumentando sus pérdidas. Es por esto,

que se desarrolla este estudio ya que al tener una menor cantidad de elementos se reducen de

manera considerables las pérdidas en el sistema, algo muy importante para cargas sensibles, ya

que este es el objetivo de este tipo de sistemas, alimentar cargas críticas y sensibles. [8]

En las figuras 1-4 y Figura 1-6 se muestran los esquemas más comunes de DVR’s, donde se puede

observar su topología, el tipo de modulación empleada (PWM o modulación por ancho de pulso)

y la cantidad de interruptores que utiliza.

Figura 1-4 Estructura clásica de un DVR. [8]


7

Figura 1-5 Topología de un convertidor tipo buck con interruptores bidireccionales. [8]

Figura 1-6 Topología clásica de un DVR con su circuito de control. [9]

Este tipo de sistemas con una menor cantidad de interruptores y sin condensador DC-link, logran

realizar la misma tarea que un estabilizador de tensión, este se puede demostrar con las imágenes

que se presentan a continuación.


8

Figura 1-7 Compensación de Sag de tensión. [8]

En la figura 1-7 se puede observar la dinámica de un DVR con topología buck, esto es lo que se

espera en lo propuesto en este proyecto, una dinámica similar, ya que la topología buck está

supeditada a un solo tipo de compensación, ya sea Sag o Swell.

Claramente la mayor ventaja de este tipo de sistema frente a los estabilizadores de tensión, es que

utilizan una menor cantidad de elementos semiconductores y no utilizan snubers, DC-link, lo

cual le proporciona una mayor eficiencia y confiabilidad al sistema, siendo las mejores cualidades

entregar un bajo contenido armónico y un buen factor de potencia.

1.4 Modulación PWM o Modulación por ancho de pulso fijo

La modulación PWM consiste en comparar dos señales, a través de esta se comanda el disparo de

los interruptores del sistema, en consecuencia recorta la onda de tensión. Por lo tanto, la idea es

reducir el contenido armónico en la carga de sistema, especialmente mitigar armónicas impares,

particularmente las múltiplos de 3.

Para este estudio se decide utilizar modulación PWM por ancho de pulso, mediante la

comparación de una señal continua (moduladora) y una señal triangular (portadora), logrando el

mismo efecto que PWM sinusoidal de tres niveles, mitigar armónicos y no entrar en resonancia

para así generar una onda libre de perturbaciones.

Ahora bien, una señal PWM consiste en una señal con una determina frecuencia, por lo tanto con

un mismo periodo el cual consta de dos valores fijos de tensión, uno alto (high) que es la amplitud

y uno bajo o nulo (low). También consta de otro parámetro: el ciclo de trabajo, se refiere al


9

porcentaje de tiempo que el pulso (la cantidad de voltaje) está activo durante un ciclo de trabajo,

como se muestra en la Figura 1-9. [5]

Figura 1-8 Funcionamiento de la Modulación PWM. [5]

Figura 1-9 Porcentaje de ancho de pulso por ciclo de trabajo. [5]

En la Figura 1-10, se observa otro parámetro importante a considerar, el ancho de pulso (PW –

Pulse Width), el cual define el tiempo que dura el pulso.

Por tanto, la modulación PWM es una técnica que consiste en variar el ancho de pulso de una

señal de voltaje con el objetivo de controlar la cantidad de potencia administrada a los


10

componentes o elementos electrónicos conectados. De esta forma, con un ciclo de trabajo del

100% entregaríamos la totalidad de la tensión, un ciclo al 50% entregaría la mitad y así

sucesivamente. Esto se determina mediante el índice de modulación el cual se calcula a partir de

la siguiente expresión [1]:

(1-1)

Siendo,

El índice de modulación siempre debe ser menor a 1.

1.5 Propuesta

Con los antecedentes recopilados se propone el estudio y la simulación de un estabilizador de

tensión alterna de baja potencia basado en un puente completa monofásica transistorizado

normal y de baja potencia.

Objetivo general

Investigar un estabilizador de tensión alternada monofásico realizado con un inversor puente

completa y a su versión de menos transistores, aplicar y proponer un método de control al

conversor aplicado directamente a un sistema monofásico con variación de tensión.

Objetivos específicos

Estudiar y modelar el inversor en sus dos versiones aplicado con estabilizador de tensión

alterna.

Proponer el control a aplicar para un sistema monofásico de estabilización de tensión.

Simular el conversor y control aplicado a un sistema monofásico con variación de

tensión.

11

2 Sistemas propuestos En este capítulo se dará a conocer ambos sistemas propuestos para este estudio. El primero de

ellos corresponde a un sistema compuesto de 4 interruptores IGBT’s bidireccionales en corriente

y el segundo un sistema que reemplaza dos de estos interruptores por un puente rectificador a

diodos. Ambos sistemas se contrastaran más adelante para evidenciar su efectividad y viabilidad.

2.1 Esquema de ambos sistemas en estudio

Figura 2-1 Sistema propuesto con 4 interruptores

En la Figura 2-1 se muestra el primero de los sistemas en estudio, un inversor con topología buck

con 4 interruptores bidireccionales en corriente (IGBT), IGBT’s es un dispositivo semiconductor

que se aplica como interruptor controlado en circuitos de electrónica de potencia. Este

dispositivo posee las características de las señales de puerta de los transistores de efecto campo

2 Sistemas propuestos

12

con la capacidad de alta corriente y bajo voltaje de saturación del transistor bipolar, combinando

una puerta aislada FET para la entrada de control y un transistor bipolar como interruptor en un

solo dispositivo. El circuito de excitación del IGBT es como el del MOSFET, mientras que las

características de conducción son como las del BJT.

Figura 2-2 Segundo sistema propuesto con 3 interruptores y puente rectificador.

En la Figura 2-2 se presenta el segundo sistema en estudio que consta de 3 interruptores

bidireccionales (IGBT) con la modificación de un puente rectificador, respecto de la Figura 2-1,

de que los interruptores son integrados en uno solo, función que cumple el puente de diodos en

la Figura 2-2 el cual constituye un interruptor bidireccional en corriente y tensión.

Cabe notar que los interruptores de ambos sistemas serán accionados a una frecuencia de 15 kHz,

ya que están alimentando una carga de baja potencia de no más de 6 kVA.

2.2 Ecuaciones de proyecto para ambos sistemas

Las ecuaciones que se presentaran a continuación son válidas para ambos sistemas en estudio.

Se definirá el ciclo de trabajo de nuestros sistemas como[1],

(2-1)

La relación de transformación del transformador (TR) presente en ambos sistemas se define a

partir de la siguiente ecuación,


13

(2-2)

Siendo,

tensión en el primario.

tensión en el secundario.

Ahora para obtener el valor de la inductancia y el condensador del sistema, sabemos que la tensión de

entrada viene dada por,

(2-3)

Y se sabe que,

(2-4)

De nuestro sistema se sabe que la tensión que debe estar compensando el transformador, es la

que se expresa en la siguiente ecuación.

(2-5)

Teniendo en cuenta que,

(2-6)

Utilizando (2-5) en (2-7) y integrando a ambos lados de esta última expresión, tenemos lo

siguiente,

(2-7)

Realizando el despeje apropiado, obtenemos la expresión para nuestro rizado de corriente,


14

(2-8)

Ahora para obtener el rizado de tensión por el condensador del sistema sabemos que,

Ahora igualando los dos y reemplazando en la ecuación (2-5) obtenemos la expresión para el

rizado de tension para el condensador de nuestros sistemas,

(2-9)

Estas ecuaciones son válidas para ambos sistemas en estudio.

2.3 Tipo de modulación a emplear

Como se expuso en el capítulo 1, la modulación a emplear en estos sistemas es del tipo PWM o

modulación por ancho de pulso. Se decide utilizar el índice de modulación 0,7 para tener un

mayor rango en la variación de la tensión cuando los interruptores estén cortando la tensión de

entrada, debido a que este tipo de sistema con topología buck inyecta una baja tensión en la

salida, siendo necesario un alto índice de modulación pues el transformador debe compensar

tensión cuando sea necesario. [1]

La modulación a emplear se basará en la comparación de dos señales: una señal moduladora

(Vm), tensión continúa de 5 volts y una señal portadora (Vt) diente de sierra de 7,1 volts peak-

peak.


15

Figura 2-3 Comparación entre señal diente de sierra y señal continua.

Figura 2-4 Forma de onda del ciclo de trabajo con índice de modulación de 0,7.

Como se muestra en la Figura 2-4, este es el ciclo de trabajo de nuestro sistema, los interruptores

son comandados y accionados de acuerdo a esto.

2.4 Etapas y modos de operación sistema de 4 interruptores

Este tipo de sistemas, al igual que los DVR’s y estabilizadores de tensión, constan de 4 etapas y

de 3 modos de operación los cuales se explicaran a continuación. [5]


16

2.4.1 Modos de operación

Modo Activo: los switches S1 y S4, están completamente encendidos, y S3 y S2 apagados

totalmente, de esta forma la corriente circula desde la fuente, pasando por los switches

de S1 y S4, pasando por el condensador, cargando el condensador en el semi-ciclo

positivo de la fuente de alimentación, y para el semi-ciclo negativo es lo opuesto, S1y S3

totalmente apagados y S2 y S4 totalmente encendidos. [5]

Modo circulación Libre: los switches S1 y S3 están apagados, y S2 y S4 encendidos,

haciendo que la corriente circule atreves de los swithes el condensador, el transformador

y la carga. De esta forma el transformador está compensando el voltaje en la carga con la

energía que esta almacenada en el condensar. [5]

Tiempo Muerto: es requerido para evitar las sobretensiones, y que los elementos

semiconductores se quemen, en este modo de operación la corriente solo circula por los

diodos anti-paralelos de cada switch. [5]

2.4.2 Etapas de operación sistema con 4 interruptores

Primera etapa – Modo Activo

Figura 2-5 Primera etapa de operación.

En esta etapa S1, S2 y S4 conducen, si la corriente iLo>0, la corriente circula por S1, S4 y D2 de

otra forma circula por D1, D4 y S2. [5]


17

Segunda Etapa – Modo circulación Libre

Figura 2-6 Segunda etapa de operación.

En esta etapa S2 y S4 conducen, si la corriente iLo >0, esta circula por S2 y D4 de otra manera

circula por D2 y S4. [5]

Tercera Etapa – Modo Activo

Figura 2-7 Tercera etapa de operación.

En esta etapa conducen S2, S3 y S4, si iLo>0 la corriente circula por D2, D3 y S4, de otra forma

circula por S2, S3 y D4. [5]


18

Cuarta Etapa – Tiempo Muerto

Figura 2-8 Quinta etapa de operación.

En esta etapa los interruptores se encuentran apagados y la corriente circula por los diodos en

anti-paralelo.

2.4.3 Etapas de operación sistema con 3 interruptores

Primera Etapa

Figura 2-98 Primera etapa de operación.

En esta conduce S1 y S2, la corriente circula dependiendo de la polaridad de la fuente, por S1 y

S2, de otra manera D1 y S2.

z z


19

Segunda Etapa

Figura 2-9 Segunda etapa de operación.

En esta conduce S2 y S3, dependiendo de la polaridad de la fuente, la corriente circulara por S3 y

S2, de otra manera por D3 y S2

Tercera Etapa

Figura 2-101 Tercera etapa de operación.

En esta etapa todos los interruptores dejan de conducir y la corriente circula por los diodos en

anti-paralelo.

z z

z z

20

3 Simulaciones de ambos sistemas y método de control propuesto En este capítulo se mostrará las simulaciones realizadas con el software de simulación (Psim) que

se realizaron en ambos sistemas para distintos tipos de cargas, R, R-L y R-C con puente

rectificador, ésta última siendo el peor caso de una carga no-lineal, con el fin de estudiar el

comportamiento de ambos sistemas.

La finalidad de estas simulaciones es realizar una posterior comparación de ambos sistemas.

3.1 Datos de simulación en lazo abierto

Para ambos sistemas se decide emplear una carga de 6kVA, dado que el sistema está proyectado

para cargas de baja potencia. Los datos de los elementos involucrados son los que se muestran en

la siguiente tabla. Para el caso específico de la carga resistiva se utilizó una carga de 5kW.

Sabiendo que la tensión de alimentación a aplicar está siendo aumentada o disminuida en un

14% tenemos dos posibles fuentes de alimentación una de 192 V y otra de 250 V. Siendo asi, la

tensión en el primario de nuestro transformador es la misma tensión de alimentación y si

deseamos obtener una tensión en la carga de 220 V, la tensión que debe proporcionar el

secundario de nuestro transformador es la resta entre la tensión de alimentación y la tensión en

la carga. Lo que nos da las siguientes tensiones para el secundario de nuestro transformador (TR)

para una tensión de alimentación de 192 V, = 28 V y para una tensión de alimentación de 254 V,

= 34 V, con estos valores podemos calcular nuestra relación de transformación a partir de la

ecuación (2-2). [3]

Ahora sabemos que nuestra relación de transformación es .

3 Simulaciones de ambos sistemas y método de control propuesto

21

Sabiendo la relación de transformación podemos calcular nuestro y , esto lo haremos a

partir de las ecuaciones (2-8) y (2-9) respectivamente, ya que ambos sistemas tienen la misma

relación de transformación los valores que se calcularan a continuación son válidos para

cualquiera de los dos casos tanto para un aumento como la disminución de la tensión de

alimentación.

Como se mencionó anteriormente en este escrito, la frecuencia de conmutación de los

interruptores es de 15 kHz, cap. 2 punto 2.1, y el ciclo de trabajo D se definió en 0,7, cap. 2 punto

2.3.

Los datos de la simulación se calcularon para un = 1,7% de la corriente en la carga y

=13,4% de la tensión en la carga, siendo la corriente para una carga de 6kVA de 6,4 A. con una

tensión de 220 V.

Siendo,

Haciendo el despeje necesario, tenemos que,

Obtenemos el valor del rizado de corriente en la carga y lo reemplazamos en la ecuación,

Luego tenemos que nuestro inductor tiene un valor de,

Ahora para calcular nuestro condensador tenemos que,

Hacemos el despeje adecuado, tal como hicimos para el rizado de corriente,

Reemplazamos el valor del rizado de tensión,

Lo que nos da el calor de nuestro condensador, el cual es el siguiente,


22

Tabla 1-1 Datos de simulación.

Carga Resistiva Carga inductiva

R carga 10 30

L carga - 16.17mHy

Lo 21 mHy 21 mHy

Co 4 F 4 F

En esta etapa preliminar los sistemas se sometieron a una tensión reducida y aumentada

permanente, con el fin de observar el comportamiento de ambos sistemas. Más adelante el

sistema se someterá a una fuente de tensión no lineal, la cual en un determinado momento

experimentara un Sag o un Swell de tensión y se podrá evidenciar el comportamiento del sistema.

3.1.1 Modelado de ambos sistemas en Psim y sus Formas de onda

Figura 3-1 Sistema de 4 interruptores modelado en Psim.


23

Figura 3-2 Sistema con 3 interruptores a ser simulado.

Figura 3-3 Sistema de comparación para el disparo de los interruptores.

En las Figuras 3-1 y 3-2 se muestra la forma en la que ambos sistemas han sido modelados en

Psim, estos modelos serán empleados en todas las simulaciones que se presentaran en este

proyecto. En la Figura 3-3 se muestra la forma en la que se ha dispuesto el disparo de los

interruptores, Psim nos permite crear etiquetas para minimizar los puntos de conexión, lo cual

nos reduce el numero de elementos en la simulación, la etiqueta “a” comanda los interruptores

principales y la etiqueta “b” representa el negado de los interruptores con la etiqueta “a”.

Tal y como se han dispuesto las etiquetas en ambos sistemas, realizan las etapas de

funcionamiento expuestas en el Capitulo 2.


24

3.2 Formas de onda de las simulaciones en lazo abierto de ambos sistemas

Ahora se mostraran las formas de onda de la tensión de alimentación, en la carga y la forma de

onda de la tensión que está compensando el transformador, en donde podremos evidenciar el

comportamiento de ambos sistemas.

a) Sistema con 4 interruptores y carga resistiva.

Figura 3-4 Formas de onda con carga resistiva con un Sag permanente, (a) tensión en la carga; (b) tensión de alimentación.


25

Figura 3-5 Tensión compensada con el transformador ante un Sag permanente con carga resistiva.

En la Figura 3-4 podemos apreciar como actúa el sistema frente un Sag permanente de tensión,

se aprecia que el transformador, como se muestra en la Figura 3-5 está realizando una

compensación de tensión en la carga y y aumenta la tensión en la carga en contraste con la de

alimentación.

Figura 3-6 Forma de onda de la tensión ante un Swell permanente, (a) tensión de alimentación; (b) tensión en la carga.


26

Figura 3-7 Compensación realizada por el transformador ante un Swell permanente.

Como se aprecia en la Figura 3-6, el sistema se comporta de una manera favorable ante un Swell

constante, se puede apreciar como disminuye la tension en la carga en contraste con la de

alimentación. En la Figura 3-7 se aprecia la compensación realizada por el transformador.

b) Sistema de 3 switches y carga resistiva.

Figura 3-8 Forma de onda del sistema ante un Sag permanente, (a) tensión en la carga; (b) tensión de alimentación.


27

Figura 3-9 Compensación del transformador ante un Sag permanente.

Figura 3-10 Formas de onda del sistema ante un Swell permanente, (a) tensión de alimentación; (b) tensión en la carga


28

Figura 3-11 Compensación realizado por el transformador ante un Swell permanente.

Como se puede apreciar en la Figura 3-9, Figura 3-10 y Figura 3-11, el sistema con 3 interruptores

presenta un comportamiento similar, por no decir idéntico, al de 4 interruptores. El sistema logra

compensar el Sag permanente sin ningún problema.

c) Sistema con 4 interruptores y carga R-L

Figura 3-12 Forma de onda de tensión ante un Sag permanente, (a) tensión en la carga; (b) tensión de alimentación.


29

Figura 3-13 Compensación de tensión del transformador.

Figura 3-14 Forma de onda del sistema ante un Swell permante, (a) tensión de alimentación; (b) tensión en la carga.


30

Figura 3-15 Compensación realizada por el transformador: (a) tensión de alimentación, (b) tensión inyectada por el transformador.

En las Figuras 3-12 y 3-14 se muestra la respuesta del sistema con 4 interruptores y carga R-L ante

un Sag y un Swell permanente, se puede observar a simple vista que el sistema responde de

manera favorable, en las Figuras 3-13 y 3-15, se observa la compensación realizada por el

transformador.se observa el mismo comportamiento de la carga resistiva.


31

d) Sistema con 3 interruptores y carga R-L

Figura 3-16 Forma de onda de la tensión ante un Sag permanente, (a) tensión en la carga; (b) tensión de alimentación.

Figura 3-17 Compensación del transformador para sag permanente.


32

Figura 3-18 Forma de onda de la tensión ante un Swell permanente, (a) tensión de alimentación; (b) tensión en la carga.

Figura 3-19 Compensación del transformador ante un Swell permanente.

Al igual que en el caso con 4 interruptores, el sistema de 3 interruptores tiene el mismo

comportamiento y dinámica frente a la compensación de tensión, al igual que el transformador,

este realiza la compensación debida de tensión, ya sea disminuyendo o aumentando la tensión

en el caso que sea necesario.


33

Las simulaciones mostradas en este punto, son válidos para todos los tipos de carga y no

específicamente para carga resistiva e inductiva como se mostró en este punto del Capítulo 3.

Se realizó la medición de la tensión inversa de los transistores en ambos circuitos, en ambas

pruebas se obtuvo el mismo resultado, el cual se muestra en la Figura 3-20

Figura 3-20 Tensión inversa por los transistores IGBT.

En la Figura 3-21 se aprecia el valor de la tensión inversa en su valor RMS, el cual alcanza los 90

volts RMS, lo que nos da una tension eficaz de 127 volts.

Figura 3-21 Tensión RMS por los transistores IGBT.


34

3.3 Método de control propuesto para ambos sistemas en estudio

Como se logró comprobar en lazo abierto, que ambos sistemas tiene una buena respuesta frente

a los requerimientos de tensión para la cargase procederá a realizar el sistema de control para

ambos sistemas el cual será el mismo en ambos casos, tanto como para 4 interruptores y 3

interruptores.

3.3.1 Control por corriente media instantanea

Como se aprendió en el curso de armónicos en baja tensión, impartido en la escuela de ingeniería

eléctrica de la Pontificia Universidad Católica de Valparaíso, el método de control que se propone

para ambos sistemas es una adaptación del seguidor de corriente media instantánea, el cual

consiste, para nuestro caso, en forzar a la tensión que se está censando a seguir la forma de onda

de la señal de referencia. Tal como se muestra en la Figura 3-20. [2]

Figura 3-22 Forma de actuar del seguidor de corriente instantánea. [2]

El controlador propuesto, es el que se muestra a continuación y el cálculo de sus parámetros está

definido a partir de las siguientes expresiones [2],


35

Se trata de un controlador adelanto atraso de fase, con una topología muy parecida a la del control

PID (proporcional integral derivativo).

El esquema del controlador se muestra a continuación en la Figura 3-21. [2]

Figura 3-23 Esquema del seguidor de corriente instantánea. [2]

Ahora el esquema de la adaptación como seguidor de tensión instantánea es la que muestra en la

Figura.


36

Figura 3-24 Modelado del sistema de control como seguidor de tensión media instantánea.

Ahora el cálculo de cada uno de los elementos del controlador se hace de la siguiente manera,

siguiendo los criterios de diseño (apuntes de armónicos en baja tensión) se ubica a la mitad de

la frecuencia de conmutación de los interruptores ( ). [2]

Ahora realizando el despeje apropiado en la expresión de , encontramos la expresión de uno

de nuestros condensadores,

Luego para se utiliza un valor característico de 50 k , luego localizamos una década antes

de la frecuencia de conmutación de los interruptores. [2]

Ahora realizando el despeje adecuado en la expresión de y reemplazando el valor de ,


37

Ahora este valor de condensador, se reemplaza en la expresión de lo que nos da el siguiente

valor,

Luego utilizando el criterio de que , ganancia CC, obtenemos el valor de,

3.4 Simulaciones en lazo cerrado para ambos sistemas

Ya teniendo los valores de los elementos del controlador propuesto debidamente calculados,

podemos proceder a realizar las simulaciones en lazo cerrado para nuestros sistemas, en este

punto se realizaran las simulaciones de ambos sistemas con carga R-L y carga R-C con un puente

rectificador, siendo esta ultima el peor escenario de una carga no lineal.

Los datos de los elementos de las simulaciones en lazo cerrado para ambos sistemas son los que

se muestran en la Tabla 3-1.

Tabla 3-1 valores de los elementos del sistema para cada tipo de carga.

Carga R-L Carga R-C con puente

rectificador

R carga 34 29

L carga 15 mHy -

C carga - 1,5 mF

Co 4 F 55 F

Lo 21mHy 65 mHy

Para el caso específico de la carga no lineal fue necesario sobredimensionar los valores del filtro

L-C presente en nuestro sistema, ya que al poseer una carga con un condensador tan grande le

era prácticamente imposible funcionar con normalidad y el sistema entraba en una permanente

resonancia.


38

3.4.1 Simulaciones en lazo cerrado carga R-L

Sistema con 4 interruptores y un sag permanente del -14% en la tensión de alimentación

Figura 3-25 Forma de onda de tensión de alimentación contrastada con la tensión en la carga.

Tabla 3-2 Valores RMS de la tensión en la carga y tensión de alimentación

Tensión Valor RMS (V)

Vin 192.9

Vload 219.88


39

Figura 3-26 Tensión del transformador contrastada con la tensión de alimentación.

En la imagen 3-26 se puede apreciar la forma de onda de tensión de la salida de nuestro

transformador, se puede apreciar que es una sinusoidal perfecta.

Tabla 3-3 Valores RMS de las tensiones del trasformador y fuente de alimentación.


Vin 192.9

VsecT 27.13

Como se puede apreciar en la Figura 3-25 el sistema compensa la tensión de alimentación sin

problemas, y se logra evidenciar que el control propuesto funciona en excelente forma, lo que nos

dice que todos los cálculos y consideraciones son correctas.


40


Figura 3-27 Tensión de alimentación contrastada con tensión en la carga.

Tabla 3-4 Valor RMS de tensión en la carga y tensión de alimentación.


Vin 193.68

Vload 223.66


41

Figura 3-2826 Tensión de alimentación contrastada con tensión del transformador.

Tabla 3-5 Tensión RMS del transformador y de alimentación.


Vin 193.66

VsecT 30.11

Con se puede apreciar en la Tabla 3-4 el sistema logra compensar el Sag de tensión y como se

puede apreciar en la Figura 3-27 la tensión en la carga alcanza fácilmente los 223 volts RMS. Al

igual que en el sistema con 4 interruptores, el de 3 interruptores presenta una dinámica más que

favorable en la compensación de Sags de tensión.


42

Sistema con 4 interruptores y un swell permanente del +14% en la tensión de alimentación


Tabla 3-6 Valor RMS de tensión de alimentación y carga.


Vload 215.58

Vin 251.28


43

Figura 3-27 Tensión del transformador contratada con la de alimentación.

Tabla 3-7 Valor RMS de tensión del transformador y de alimentación.


Vin 251.23

VsecT 36.06

Como se puede empezar a apreciar, el sistema presenta una mejor respuesta al compensar Sags

de tensión versus los Swells de tensión. Al ver la Tabla 3-5 se aprecia que el sistema compensa el

Swell pero no logra llegar a los 220 volts RMS, llegando solamente a 215 volts RMS.


44


Figura 3-31Tensión de alimentación contrastada con tensión en la carga.



Vin 250.8

Vload 217.09


45

Figura 3-32 Tensión de alimentación contrastada con la del trasformador.

Tabla 3-8 Valor RMS de tensión del transformador y alimentación.

Tensión Valor RMS

Vin 249.82

VsecT 33.7

Como se puede apreciar en la Tabla 3-7 el valor RMS de la tensión en la carga no alcanza a llegar

a los 220 volts RMS, alcanzando un máximo de 217 volts RMS, lo cual nos da otro indicio de que

el sistema con este tipo de topologia, independiente del número de interruptores involucrados

que ocupe, tiene un mejor comportamiento compensando Sag de tensión.

3.4.2 Simulacion en lazo cerrado para carga R-C y puente rectificador

Se presentara el modelado del sistema con este tipo de carga en especial, para que quede un poco

más claro a qué es lo que se está enfrentando el sistema y el control propuesto.


46

Figura 3-33 Sistema con carga R-C y puente rectificador con el control propuesto.


Figura 3-34Tensión de alimentación contrastada con la tensión en la carga.


47

Tabla 3-9 Valor RMS de tensión en la carga y alimentación.


Vrectificador 219.41

Vfuente 179.5

Figura 3-35 Tensión del transformador contrastada con la de alimentación

Tabla 3-10 Valor RMS de la tensión del transformador y alimentación.


V fuente 179.5

V transformador 40.8

.


48

Figura 3-28 corriente pulsada requerida por el condensador en la carga del sistema.

Como se puede observar en la Figura 3-34, la forma de onda que entrega el transformador no es

sinusoidal, esto se debe a la corriente pulsada que pide el condensador en la carga, esto se puede

observar de mejor forma en la Figura 3-35.

Como muestra la Figura 3-33, la tensión se logra compensar sin ningún problema ante un Sag de

tensión alcanzando un valor de 219 volts RMS.




49



V fuente 179.83

V rectificador 214.83

Figura 3-29 Tensión del transformador contrastada con la alimentación.

Tabla 3-12 Valor RMS del trasformador y la alimentación.


V fuente 179.83


Ahora se observa otra particularidad, ambos sistemas logran compensar el Sag de tensión, pero

el sistema que posee 4 interruptores es el que lo compensa de mejor manera, esto puede quedar

más claro al ver la Tabla 3-9 y comprarla con la Tabla 3-11.


50


Figura 3-39 Tensión de alimentación contrastada con la carga.

Tabla 3-13 Valor RMS de la tensión en la carga y alimentación.


V fuente 250.49



51

Figura 3-40 Tensión del trasformador contrastada con la de alimentación.

Tabla 3-14 Valor RMS de tensión en el transformador y alimentación.


V fuente 250.49


Nuevamente se evidencia que el sistema tiene un mejor comportamiento compensado Sag de

tensión que un Swell de tensión, la Tabla 3-13 lo deja claro, con la tensión en la carga alcanzando

un valor de 215 volts RMS.


52


Figura 3-41 Tensión de alimentación contrastada con la tensión en la carga.

Tabla 3-15 Valor RMS de tensión en la carga y alimentación.


V fuente 250.23



53

Figura 3-30 Tensión del transformador contrastada con la de alimentación.

Tabla 3-16 Valor RMS de tensión del transformador y la alimentación.


V fuente 250.23


Como se puede apreciar en las simulaciones que se mostraron en este punto del Capítulo 3 el

sistema propuesto tiene un mejor rendimiento al compensar Sags de tensión. De igual forma la

configuración de 3 interruptores muestra un escenario favorable a la hora de compensar Swells

de tensión. Al tener un puente rectificador a diodos, la versión de 3 interruptores, siempre tendrá

dos elementos que no pueden ser controlados generando una diferencia de potencial, la cual

siempre estará interfiriendo en la compensación que realiza el transformador, y como se ha

podido evidenciar en las simulaciones expuestas, la tendencia es que la tensión en la carga no

logra alcanzar los 220 V.

3.5 Análisis armónico del sistema

Una de las ventajas más notorias de este tipo de sistemas frente a las topologías clásicas con

tiristores, es que este tipo de sistemas, transistorizados, presentan un contenido bastante

reducido, lo cual es una gran ventaja. Un alto contenido armónico genera desperfectos en las


54

caras sensibles, efectos como reducir la vida útil de los componentes eléctricos de los circuitos,

mayor cantidad de pérdidas en los elementos reactivos del circuito.

En el siguiente análisis armónico realizado con el software de simulación Psim [12] , se puede

observar la característica de las armónicas que genera este tipo de sistemas. El software de

simulación Psim nos permite realizar una transformada rápida de Fourier (FFT) la cual nos

permite ver el espectro de frecuencia de nuestro sistema. Lo cual nos indicara el comportamiento

de las armónicas presente en nuestro sistema.

Figura 3-43 Espectro de frecuencia de tensión y corriente en la carga.

Como se observa en la Figura 3-43, el espectro de la frecuencia de nuestro sistema para la peor

de nuestras cargas, una capacitiva con un puente rectificador. En él se observa que las armónicas

se hacen presentes en los múltiplos impares de la frecuencia fundamental, siendo “n” el número

de la armónica incluyendo la frecuencia fundamental, para n=1,3,5,7….., de esta forma las

armónicas apareen en grupos centrados alrededor de la frecuencia de conmutación y sus

múltiplos.

Teóricamente la frecuencia en la que se hacen presentas dichas armónicas puede ser indicada

como:

(3-1)

De esta manera la armónica de orden “n” corresponde a:

(3-2)


55

Donde la correspondiente frecuencia fundamental es 1 (50Hz).

Para valores impares de “f” las armónicas solo existen solo para valores pares de “k” (incluyendo

el cero).

Para valores impares de “f”, las armónicas existen solo para valores pares de “k”.

Como se observa en la Figura 3-43, al ser armónicas impares, estas cumplen con la simetría de

media onda, ya que solo tenemos presencia de armónicas en las frecuencias de conmutación

impar. Otro punto importante a señalar es que este, al ser un inversor alimentado en tensión,

presenta un gran contenido armónico en corriente, y no así tanto como en su tensión. Esto está

dentro de lo esperado ya que es un sistema en el cual lo más importante es mantener una tensión

estable en la carga, no así como la corriente.

Figura 3-44 Espectro de frecuencia de la tensión de salida del transformador (TR).

Como se aprecia en la Figura 3-44, el contenido armónico de tensión presente en la salida del

trasformador TR, cumple con lo que se ha explicado anteriormente, al poseer armónicas

presentes en los múltiplos impares de la fundamental, estas cumplen con la simetría de media

onda.

En la Tabla 3-17, se pueden apreciar la distorsión armónica total (THD) tanto en la carga como

en el transformador.


56

Tabla 3-17 Distorsión armónica total (THD)

Elemento THDv THDi

carga 2.83% 12.9%

transformador 13% -

Como no existe normativa vigente en cuanto a lo que se trata de contenido armónico y distorsión

armónica total, solo nos podemos apegar a lo que se recomienda para este tipo de sistemas,

sistemas de baja tensión. Según lo recomendado el THDv de la carga de nuestro sistema está

dentro de los límites admisibles recomendados, así también como el THDi de nuestra carga.

57

4 Simulación del sistema ante un Sag y un Swell Repentinos En este capítulo se enfrentara el mejor sistema, el que posee 4 interruptores, ante un Sag

repentino de tensión y ante un Swell repentino de tensión, con el fin de observar con mayor

claridad le funcionamiento del sistema y la rapidez y efectividad del control propuesto en este

estudio.

Ya se dejó claro en el Capítulo anterior, el sistema tiene una mejor respuesta compensado Sags de

tensión que Swells, pero de igual manera se desea corroborar la eficacia del sistema de 4

interruptores frente a estas problemáticas latentes en la alimentación de cargas sensibles.

El sistema elegido para realizar estas simulaciones es el mismo que se encuentra en la Figura 3-

39.

4.1 Simulacion ante un Sag repentino de tensión

Para este caso, lo que se hizo fue modelar una fuente que en cierto punto determinado, sufriera

un Sag de tensión (Deep, hundimiento o baja en la tensión). Con el fin de comprobar la dinámica

y rapidez del sistema en estudio y los resultados de este estudio son los que se muestran en las

siguientes imágenes.

4 Simulación del sistema ante un Sag y un Swell Repentinos

58

Figura 4-1 Respuesta del sistema ante un Sag repentino.

Figura 4-2 Acercamiento a la forma de onda del sistema frente a un Sag repentino.

Como se puede apreciar el sistema presenta una respuesta bastante por sobre lo aceptable,

logrando compensar el Sag de tensión impuesto, comprobando la buena dinámica que presenta

el sistema al compensar este tipo de perturbaciones, podemos observar también una onda

completamente sinusoidal, con unas pequeñas perturbaciones, pero no son de carácter minimo.


59

Tabla 4-1 Valor RMS de las tensiones del sistema.



V fuente 195.4


Como se puede observar en la Tabla 4-1, la tensión en la carga logra alcanzar fácilmente los 220

volts RMS, lo cual comprueba la versatilidad del sistema y la buena performance del circuito ante

un Sag.

Figura 43 Transitorio del sistema.

En la Figura 4-3 se observa el transitorio de nuestro sistema con 4 interruptores, donde se denota

el tiempo en que demora en estabilizar la tensión en la carga, alcanzando un tiempo no superior

a los 250ms.

De esta forma comprobamos de manera experimental el buen funcionamiento del sistema para

compensar los Sags de tensión, y más aún, la factibilidad del sistema con 4 interruptores versus

el sistema de 3 interruptores.


60

4.2 Simulacion ante un Swell repentino de tensión

Como ya se dijo el sistema no presenta un buen funcionamiento al momento de compensar los

Swells de tensión, pero de todas maneras se ha decidido realizar el estudio de este tipo de

perturbaciones con la finalidad de comprobar este aseveración.

Figura 4-4 Formas de onda del sistema.

Figura 4-5 Acercamiento de las formas de onda del sistema.

Como se logra apreciar tanto en al Figura 4-4 como en la Figura 4-5, el sistema logra compensar

el Swell de tensión, pero no de la manera como lo logra hacer frente a un Sag de tensión. Como se


61

ve en la Figura 4-5, cuando el sistema realiza la compensación, a los 50 ms de empezar a

compensar se origina una sobretensión en el sistema que tiene una duración de 70 ms, esto se

debe a que al momento de realizar la compensación el sistema no es lo suficientemente rápido

para evitar generar una sobretensión, y no logra reducir la tensión de manera eficaz.

Tabla 4-2 Valor RMS de las tensiones del sistema.


V fuente 233.97



En la Tabla 4-2 se logra evidenciar la poca eficacia que posee el sistema frente a la compensación

de Swells de tensión, si bien logra estabilizar la tensión en la carga, esta no es capaz de alcanzar

los 220 volts RMS, no asi como lo realiza el sistema al compensar un Sag.

Un acercamiento importante es señalar que, gracias a la dinámica que posee el circuito el

transformador que posee el sistema, compensa la tensión solo cuando esta es requerida, tanto

para el caso de un Sag como para un Swell.

Figura 4-6 Transitorio del sistema.


62

En la Figura 4-6 se puede apreciar el transitorio del sistema frente a la compensación de un Swell

de tensión, a simple vista se aprecia que el sistema es más lento al momento de realizar la

estabilización de tensión, alcanzando un tiempo mínimo de 350ms aproximadamente, versus el

tiempo que demora el sistema en compensar un Sag, que es de aproximadamente 100ms menos.

63

Discusión y conclusiones Como se logró apreciar en el estudio realizado en el presente proyecto es de vital importancia el

estudio de este tipo de sistemas, especialmente por el tipo de uso que se les da, alimentar cargas

sensibles, talos como data center, los cuales necesitan que se les suministre una tensión

invariante y libre de perturbaciones, ya que estos no pueden dejar de funcionar y menos aún sufrir

pérdidas de información debido a una perturbación en el suministro de alimentación a estos.

Se logró evidenciar mediante simulación, el comportamiento de ambos sistemas, tanto el que

consta de 4 interruptores como el de 3 interruptores y puente rectificador, se logró comprobar la

viabilidad de ambos sistemas, pero si bien es cierto el sistemas de 4 interruptores es

sustancialmente superior al de 3 interruptores en todo sentido, pero especialmente en el hecho

de que, el sistema de 4 interruptores posee un funcionamiento más rápido, con mejor respuesta

frente a las perturbaciones, logra tener un menor tiempo de respuesta el momento de realizar la

compensación y por sobre todas las cosas, al tener menos elementos semiconductores

involucrados en su operación, reduce sustancialmente las perdidas involucradas en el sistema.

Mediante todo el estudio realizado en este proyecto, se logró comprobar, que si bien el sistema

logra compensar tanto Sags como Swells de tensión, tiene una mejor respuesta al momento de

compensar Sags, lo que resta versatilidad, si bien es cierto que la tensión de alimentación tiende

a disminuir en ciertos periodos de tiempos, esta también puede aumentar y provocar daños a las

cargas que esta alimenta. Como recomendación personal se sugiere continuar con el estudio de

este tipo de sistemas con la finalidad de comprobar a cabalidad esta aseveración.

El transformador que posee el sistema, juega un papel muy importante dentro de la dinámica del

circuito, no solo por realizar la compensación de tensión en la carga, sino también por ayudar a

la mitigación de armónicas en la carga, ya que filtran el ruido eléctrico no deseado y reducen los

efectos de las corrientes armónicas. Otro punto a favor para este tipo de sistemas. Ya que si bien

es cierto los reguladores de tensión son ampliamente utilizados, los restauradores de tensión

dinámicos son un campo en expansión en actualidad y están dejando obsoletos a los reguladores

de tensión, por la problemática principal de este tipo de sistemas, la alta inyección de armónicas

y el bajo factor de potencia que estos entregan.

Discusión y conclusiones

64

El estudio de este tipo de sistemas, estabilizadores de tensión alterna y restauradores dinámicos

de tensión, es bastante amplio e interesante, es un área con una tremenda versatilidad en el

campo de la electrónica de potencia.

Aún falta por comprobar cómo se comportan este tipo de sistemas con una topología distinta a la

topología del convertidor buck, sería interesante replicar este estudio con el convertidor boost o

back-boost, ya que hay estudio que comprueban la versatilidad de estos dos sistemas como

estabilizadores de tensión y restauradores de tensión dinámicos, especialmente el convertidor

boost, logrando realizar una compensación de Sag y Swell de manera simultánea. Como se logró

comprobar para la compensación de Sags la topología buck es la más adecuada, ya que por su

naturaleza de convertidor reductor, la tensión que se necesitaba inyectar o restar a la carga es

pequeña, pero como ya se recalcó, este tipo de topología, presenta un excelente comportamiento

al momento de realizar la compensación de Sags de tensión.

Todas las simulaciones se realizaron con una variación en la tensión de alimentación de +/- 14%,

por qué se decide hacer las simulaciones con esta variación. Debido a la normativa vigente

impuesta por la SEC, para suministro de energía en baja tensión, la alimentación no puede tener

una variación superior al +/. 7,5% el 95 % de las veces, medido en un rango de 15 días

consecutivos. Entonces al realizar el estudio con esta variación en la tensión de alimentación, se

cumple a cabalidad lo que exige esta normativa.

Como se pudo apreciar en el análisis armónico realizado en este estudio, las armónicas de tensión

presente en nuestro sistema, cabe resaltar que no existe legislación al respecto sobre contenido

armónico, están dentro de lo recomendado para este tipo de sistemas, al ser de un bajo índice de

contenido armónico. Cumple con lo que ya se ha dicho anteriormente en este tipo de estudios,

estos sistemas entregan un excelente contenido armónico en tensión y en esto ha podido ser

evidenciado.

Y por último concluir que los software de simulación, como lo es Psim [12] , es una herramienta

muy importante al momento de realizar este tipo de estudios, con la versatilidad que posee el

software, se logró obtener todas las aseveraciones realizadas en este estudio. El software posee

una cantidad enorme librerías y dispositivos de todo tipo, además de poseer elementos ideales,

posee elementos que logran realizar simulaciones lo mas cercanas a la realidad, ya que sus

elementos consideran todos los paramentos que este puede tener, solo por nombrar algunos,

resistencias internas, tensiones de saturación, en el caso de elementos semiconductores,

resistencias de saturación, núcleo de magnetización, en el caso de los transformadores, etc.

65

Bibliografía

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Undeland, William P. Robbins, 3ª Edicion.

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[5] https://elrincondemaxwell.wordpress.com/2016/02/21/modulacion-por-ancho-de-pulso-

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C. M. Costa, Antônio O. C. Neto, Joaquim H. Reis, Ernane A. A. Coelho, Luiz C. G. de Freitas,

João B. V. Jr., Luiz C. Freitas, 2017.

[10] “ AC Chopper Using Four Switches”, T. Shinyama, A. Ueda, A. Torii, Power Conversion Conference,2002. Proceedings of the PCC Osaka 2002.,.

66

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controlados", Oscar Andres Antonio Castro Ardiles, Informe final del proyecto presentado

en cumplimiento de los quisistos para optar al titulo profesional de ingeniero Civil

Eléctrico", Pontificia Universidad Católica de Valparaiso, 2014.

[12] Psim - Versión Estudiante.

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