PONTIFICIA UNIVERSIDAD CATÓLICA DE VALPARAÍSO

ESCUELA DE INGENIERÍA ELÉCTRICA

ESTUDIO DE UN NUEVO

SISTEMA ININTERRUMPIBLE DE ENERGÍA (UPS)

BASADO EN DOS INVERSORES ALIMENTADOS EN TENSIÓN (VSI)

CONFIGURADOS ESPALDA CON ESPALDA

ESTEBAN GABRIEL ARANCIBIA OPAZO

INFORME FINAL DEL PROYECTO

PRESENTADO EN CUMPLIMIENTO

DE LOS REQUISITOS PARA OPTAR

AL TITULO PROFESIONAL DE

INGENIERO ELÉCTRICO

Julio 2004

ESTUDIO DE UN NUEVO

SISTEMA ININTERRUMPIBLE DE ENERGÍA (UPS)

BASADO EN DOS INVERSORES ALIMENTADOS EN TENSIÓN (VSI)

CONFIGURADOS ESPALDA CON ESPALDA

INFORME FINAL

Presentado en cumplimiento de los requisitos

para optar al título profesional de

Ingeniero Eléctrico

otorgado por la

Escuela de Ingeniería Eléctrica

de la

Pontificia Universidad Católica de Valparaíso

ESTEBAN GABRIEL ARANCIBIA OPAZO

Profesor Guía Sr. Domingo Ruiz Caballero.Profesor Correferente Sr. Leopoldo Rodríguez Rubke.Profesor Correferente Sr. Reynaldo Ramos Astudillo.

Julio 2004

ACTA DE APROBACIÓN

La Comisión Calificadora designada por la Escuela de Ingeniería Eléctrica ha aprobado el texto del Informe Final del Proyecto de Titulación desarrollado entre el primer semestre de 2002 y el primer semestre de 2003, y denominado

ESTUDIO DE UN NUEVO SISTEMA ININTERRUMPIBLE DE ENERGÍA (UPS)

BASADO EN DOS INVERSORES ALIMENTADOS EN TENSIÓN (VSI)

CONFIGURADOS ESPALDA CON ESPALDA.

Presentado por el Señor

ESTEBAN GABRIEL ARANCIBIA OPAZO

DOMINGO RUIZ CABALLERO

Profesor Guía

LEOPOLDO RODRÍGUEZ RUBKE

Segundo Revisor

RAIMUNDO VILLARROEL VALENCIA

Secretario Académico

Valparaíso, Julio 2004

DEDICATORIA

ESTUDIO DE UN NUEVO

SISTEMA ININTERRUMPIBLE DE ENERGÍA (UPS)

BASADO EN DOS INVERSORES ALIMENTADOS EN TENSIÓN (VSI)

CONFIGURADOS ESPALDA CON ESPALDA

Esteban Gabriel Arancibia Opazo

Profesor Guía: Sr. Domingo Ruiz Caballero

RESUMEN

A través de este informe se estudia la proyección de un sistema

ininterrumpible de energía de un kVA, por medio de una nueva alternativa de

diseño. Esta nueva alternativa se basa en la interacción de dos inversores

alimentados en tensión configurados espalda con espalda. Esto garantiza una

mayor eficiencia de los sistemas ininterrumpibles de energía mejorando el factor

de potencia, y proporcionando una mejor calidad de suministro de energía a las

cargas a respaldar y proteger.

Además se realiza una comparación del sistema estudiado con los

actuales sistemas ininterrumpibles de energía existentes en el mercado, a través

de un análisis costo-beneficios, lo que permite determinar qué alternativa otorga

mayores beneficios en un plazo determinado de tiempo, comparando el sistema

estudiado con otro de igual potencia.

ÍNDICE

Pág.ÍNDICE

INTRODUCCIÓN 1

CAPÍTULO 1 2SISTEMAS ININTERRUMPIBLES DE ENERGÍA 21.1 INTRODUCCIÓN 21.2 CONFIGURACIONES CONOCIDAS DE UPS NO

ESTANDARIZADAS2

1.3 SISTEMAS ON LINE 31.3.1 Configuración Básica 31.3.2 Configuración con Llave de Transferencia 41.3.3 Configuración On-Line con Cargador Separado 41.3.4 Configuración On-Line con Cargador Separado y Convertidor CC-

CC Elevador5

1.3.5 Configuración On-Line con Procesamiento Paralelo 51.4 SISTEMAS OFF-LINE 61.4.1 Configuración Típica 61.4.2 Configuración Off-Line Tri-Port 71.5 CONFIGURACIONES ESTANDARIZADAS DE UPS 81.6 LA NECESIDAD PARA UN NUEVO ESTÁNDAR 91.6.1 Diversificación en Tipos de UPS 91.6.2 Terminología Imprecisa y Errónea 101.6.3 UPS "On-Line" (o "sobre-línea") 101.6.4 UPS "OFF-LINE" (o "fuera-de-línea") 121.6.5 Otros Términos 131.7 EL NUEVO ESTÁNDAR 131.8 TOPOLOGÍAS ESTANDARIZADAS DE UPS 141.8.1 Principios de Operación de la "UPS Fijación Pasiva (Passive

Standby)"15

1.8.2 Principios de Operación de la "UPS Línea Interactiva (Line Interactive)"

17

1.8.3 Principios de Operación de la "UPS de Conversión Doble(Double Conversion)"

19

CAPÍTULO 2 23COMPONENTES DE UNA UPS Y SU OPERACIÓN 232.1 INTRODUCCIÓN 232.2 AISLAMIENTO EN LAS UPS 232.2.1 Aislamiento por Transformador de Baja Frecuencia 242.2.2 Aislamiento por Transformador de Alta Frecuencia 25

vi

2.3 BATERÍAS 252.3.1 Nomenclaturas 262.3.2 Factores que Influyen en la Vida Útil de las Baterías 282.4 CARGADORES DE BATERIAS 292.4.1 Rectificador Controlado de Baja Frecuencia 292.4.2 Convertidor CC-CC Reductor en Alta Frecuencia 292.4.3 Convertidor CC-CC Aislado con Ecualización de las Baterías 302.4.4 Cargadores con Corrección de Factor de Potencia 312.5 INVERSORES 322.5.1 Inversor Push-Pull 322.5.2 Inversor Medio Puente 332.5.3 Inversor Puente Completo 342.6 REGULACIÓN DE CARGA 342.6.1 Control de la Tensión de Barra 352.6.2 Control de la Tensión Empleando Modulación PWM 352.6.3 Control PWM en Baja Frecuencia 362.6.4 Control PWM en Alta Frecuencia 372.7 CONTROL DE LA TENSIÓN DE CARGA DESPUÉS DEL

INVERSOR38

2.7.1 Transformador Multi-Bobinados 382.7.2 Filtro Ferro Resonante 392.8 LLAVE DE TRANSFERENCIA 392.8.1 Sistema de Doble Conversión Aislado 402.8.2 Sistema de Doble Conversión no Aislado 402.8.3 Sistema de Fijación Pasiva 412.9 UPS PROYECTADA 41

CAPÍTULO 3 43FILTRO ACTIVO PARALELO (FAP) 433.1 INTRODUCCIÓN 433.2 EL FILTRO ACTIVO PARALELO (FAP) 443.3 ESTUDIO ANALÍTICO 473.3.1 Inductor LC1 493.3.2 Función de Transferencia ∆ILc1(s) / ∆d1(s) 523.3.3 Ecuaciones de los Controladores del Filtro 533.4 RESULTADOS DE DISEÑO 573.5 RESULTADOS DE SIMULACIÓN 59

CAPÍTULO 4 66FILTRO ACTIVO SERIE (FAS)/ ESTABILIZADOR DE TENSIÓN 664.1 INTRODUCCIÓN 664.2 CONFIGURACIÓN DEL FILTRO ACTIVO SERIE DE TENSIÓN 674.3 ESTUDIO ANALÍTICO 694.3.1 Inductor LC2 714.3.2 Función de Transferencia ∆VC

*(S) / ∆d2(S) 76

vii

4.3.3 Ecuaciones de los Controladores del Filtro 774.4 RESULTADOS DE DISEÑO 784.5 RESULTADOS DE SIMULACIÓN 814.6 GRÁFICAS DE LAS FORMAS DE ONDA 83

CAPÍTULO 5 89UPS TIPO UPQC 895.1 INTRODUCCIÓN 895.2 INTERCONECCIÓN DE LOS INVERSORES 905.2.1 Transformador de Aislamiento 915.2.2 Cambios en los Circuitos de Control 915.2.3 Problemas con la Tensión de Referencia del FAS 965.2.4 Ubicación de la Llave de Transferencia 1015.3 CIRCUITO DETECTOR DE PRESENCIA DE RED 1025.4 RESULTADOS DE SIMULACIÓN 104

CAPÍTULO 6 110PROYECTO FÍSICO 1106.1 INTRODUCCIÓN 1106.2 DATOS NECESARIOS PARA EL PROYECTO F ÍSICO 1106.3 BOBINAS DEL SISTEMA 1106.3.1 Tipos de Núcleos a Utilizar 1116.3.2 Cálculo del Número de Espiras 1126.3.3 Longitud del Entrehierro 1126.3.4 Sección del Conductor 1126.3.5 Resultados Obtenidos para las Diferentes Bobinas del Sistema 1146.4 DISIPADOR 1146.5 ELEMENTOS DEL CIRCUITO A CONSTRUIR 118

CAPÍTULO 7 120ANÁLISIS COSTO-BENEFICIO 1207.1 INTRODUCCIÓN 1207.2 ALGUNAS UPS EXISTENTES EN EL MERCADO CHILENO 1217.3 ESTUDIO DE INGENIERÍA 1227.4 COSTOS OPERACIONALES 1247.5 CRITERIO DEL VALOR ACTUAL NETO 1267.6 RAZÓN BENEFICIOS – COSTOS 128

CONCLUSIÓNES GENERALES 133

BIBLIOGRAFÍA 134

APÉNDICE A A-1HOJA DE DATOS DE LOS COMPONENTES A-1A-1 NÚCLEOS DE FERRITA TIPO E DE THORNTON. A-2

viii

A-2 POTENCIA V/S DENSIDAD DE CORRIENTE A-3A-3 FACTORES DE ENRROLLAMIENTO Y DE UTILIZACIÓN DE LA

VENTANA EN INDUCTORESA-3

A-4 FACTORES DE ENRROLLAMIENTO Y DE UTILIZACIÓN DE LA VENTANA EN TRANSFORMADORES

A-3

A-5 TABLA DE ALAMBRES ESMALTADOS A-4A-6 HOJA DE DATOS IRG4BC20U A-5A-7 HOJA DE DATOS MUR1560 A-13

ÍNDICE DE FIGURAS

Pág.

Figura 1.1 Configuración básica UPS On-Line. 3Figura 1.2 Configuración con llave de transferencia. 4Figura 1.3 Configuración On-Line con cargador separado. 4Figura 1.4 Configuración con cargador separado y convertidor CC-CC

elevador.5

Figura 1.5 Configuración On-Line con procesamiento paralelo. 6Figura 1.6 Configuración típica de los sistemas Off-Line. 7Figura 1.7 Configuración Off-Line Tri-Port. 7Figura 1.8 UPS On-Line. 11Figura 1.9 UPS Off-Line. 12Figura 1.10 Modos de operación de UPS de Fijación Pasiva. 15Figura 1.11 Modos de operación de UPS de Interacción con la Línea. 17Figura 1.12 Modos de operación de UPS de Conversión Doble. 20Figura 2.1 Modos de conexión del transformador de baja frecuencia. 24Figura 2.2 Modos de utilización del aislamiento en alta frecuencia. 25Figura 2.3 Rectificador controlado de baja frecuencia. 30Figura 2.4 Cargador reductor en alta frecuencia. 30Figura 2.5 Cargador flyback con ecualización. 31Figura 2.6 Cargador elevador con corrección del factor de potencia. 32Figura 2.7 Inversor Push-Pull. 33Figura 2.8 Inversor medio puente. 33Figura 2.9 Inversor puente completo. 34Figura 2.10 Regulación por control de la tensión de barra. 35Figura 2.11 Inversor medio puente con regulación por modulación PWM. 36Figura 2.12 Regulación PWM en baja frecuencia. 36Figura 2.13 Generación de la señal PWM senoidal de tres niveles de

tensión.37

Figura 2.14 Regulación con transformador multi-devanados. 38Figura 2.15 Regulación con transformador ferro-resonante. 39Figura 2.16 Llave de transferencia en sistemas de doble conversión

aislados.40

Figura 2.17 Llave de transferencia en sistemas de doble conversión no aislados.

41

Figura 2.18 Llave de transferencia en sistemas de fijación pasiva. 41Figura 2.19 Sistema UPS tipo UPQC. 42Figura 3.1 Diagrama en bloque de la UPS con FAP. 43Figura 3.2 Configuración del FAP. 44Figura 3.3 Ondas del filtro activo paralelo. 44Figura 3.4 FAP propuesto. 45Figura 3.5 Estrategia de control del FAP. 46Figura 3.6 Modulación a tres niveles de tensión para comando de

interruptores.47

Figura 3.7 Etapas de operación para PWM de tres niveles de tensión (para semiciclo positivo de la corriente de red).

48

Figura 3.8 Variación de la razón cíclica del FAP. 51

x

Figura 3.9 Variación de la ondulación en L C1 en función del tiempo con MI1 de parámetro.

52

Figura 3.10 Modelo de grandes señales para el FAP. 52Figura 3.11 Red de compensación utilizada en el FAP. 54Figura 3.12 Circuito que describe la ganancia del amplificador

operacional del compensador.56

Figura 3.13 Circuito que permite obtener la ganancia del modulador. 56Figura 3.14 Tipos de cargas simuladas con el FAP. 57Figura 3.15 Diagrama de Bode en magnitud del FAP. 58Figura 3.16 Diagrama de Bode en fase del FAP. 59Figura 3.17 Circuito de potencia del sistema. 60Figura 3.18 Circuito de control del FAP. 60Figura 3.19 Circuito del lazo de tensión del FAP. 61Figura 3.20 Circuito de potencia del FAP. 61Figura 3.21 Corrientes involucradas en el FAP. 63Figura 3.22 Tensión y corriente de red para las diferentes cargas. 63Figura 3.23 Tensión VF cuando actúa el compensador de tensión, gráfica

en formato original y amplificada.64

Figura 3.24 Simulaciones con controlador PID. 64Figura 3.25 Contenido armónico antes de incorporar FAP. 65Figura 3.26 Contenido armónico después de incorporar FAP. 65Figura 4.1 Diagrama en bloques del sistema UPS tipo UPQC. 66Figura 4.2 Configuración del FAS. 67Figura 4.3 Filtro activo serie propuesto. 68Figura 4.4 El FAS y su estrategia de control. 69Figura 4.5 El circuito modulador y las señales de comando de los

interruptores, y la tensión del inversor.70

Figura 4.6 Etapas de operación de un inversor de 2 niveles de tensión. 70Figura 4.7 Circuito simplificado del Filtro Activo Serie. 72Figura 4.8 Ganancia del sistema para diferentes índices de modulación. 74Figura 4.9 Accionamiento de los interruptores. 75Figura 4.10 Ondulación de corriente en LC2. 75Figura 4.11 Circuito del controlador PID utilizado en el FAS. 77Figura 4.12 Tipos de cargas simuladas con el FAS. 79Figura 4.13 Diagramas de Bode en magnitud del controlador GC3(s), la

planta GPLANTA2(s) y el sistema GFAS(s).80

Figura 4.14 Diagramas de Bode en fase del controlador GC3(s), la planta GPLANTA2(s) y el sistema GFAS(s).

81

Figura 4.15 Circuito de potencia del sistema. 82Figura 4.16 Circuito de control del FAS. 82Figura 4.17 Circuito de potencia del FAS. 83Figura 4.18 Formas de onda de la tensión de entrada, la resultante

distorsionada VRED, la componente fundamental VS1 y las componentes armónicas 5ª, 7ª y 9ª.

84

Figura 4.19 Tensiones VSH5 + VSH7 +VSH9 y ∆V. 85Figura 4.20 Formas de onda para carga resistiva pura. 86Figura 4.21 Componentes de Fourier de tensión VRED 86Figura 4.22 Componentes de Fourier de corriente de red 87Figura 4.23 Componentes de Fourier de tensión de carga. 87Figura 4.24 Tensión de red (fundamental) v/s Tensión de carga. 88Figura 5.1 Diagrama en bloques del sistema UPS. 90Figura 5.2 Ubicación del transformador desacoplador de referencias. 92

xi

Figura 5.3 Sistema de potencia de la UPS-UPQC. 92Figura 5.4 Diagrama de bode en fase del FAP. 94Figura 5.5 Acercamiento de la figura anterior. 94Figura 5.6 Diagrama de bode en fase del FAS. 95Figura 5.7 Circuito de control del FAS. 96Figura 5.8 Diagrama en bloques del PLL. 97Figura 5.9 Circuito del detector de fase. 97Figura 5.10 Etapas del detector de fase. 98Figura 5.11 Diagrama del VCO implementado. 99Figura 5.12 Simulación del VCO. 99Figura 5.13 Circuito completo del PLL. 100Figura 5.14 Resultado de simulación del PLL. 100Figura 5.15 Circuito de potencia del sistema con Llave de transferencia. 101Figura 5.16 Ubicación de la llave de transferencia auxiliar. 102Figura 5.17 Circuito detector de presencia de red. 103Figura 5.18 Simulación del circuito detector de presencia de red. 103Figura 5.19 Formato de onda de la tensión de alimentación. 104Figura 5.20 Emulación de un disturbio tipo swell en la tensión de

alimentación.105

Figura 5.21 Problemas debido a la falta de llave auxiliar de transferencia. 107Figura 5.22 Sistema operando como UPQC. 107Figura 5.23 Sistema operando como UPS-UPQC. 108Figura 5.24 Corriente de red y tensión de carga del sistema. 108Figura 5.25 Resultados del sistema para disturbio tipo swell. 109Figura 5.26 UPS-UPQC operando con lazo de tensión. 109Figura 6.1 Circuito de potencia del sistema. 111Figura 6.2 Circuito de potencia de los filtros con semiconductores. 114Figura 6.3 Circuito térmico del disipador. 115

ÍNDICE DE TABLAS

Pág.

Tabla 3.1 Resultados de los valores obtenidos para el FAP 58Tabla 6.1 Corrientes y tensiones a soportar por los dispositivos. 110Tabla 6.2 Resultados del diseño de la bobinas. 114Tabla 6.3 Resultados de las pérdidas totales de los semiconductores. 117Tabla 6.4 Dispositivos del sistema de potencia. 118Tabla 6.5 Dispositivos del circuito de potencia de los filtros. 119Tabla 6.6 Dispositivos del circuito de control de los filtros. 119Tabla 6.7 Dispositivos del circuito detector de presencia de red. 119Tabla 7.1 Tabla comparativa de UPS en el mercado Chileno. 121Tabla 7.2 Materias primas del circuito de potencia del sistema. 122Tabla 7.3 Materias primas del circuito de potencia de los filtros activos. 123Tabla 7.4 Materias primas del circuito de control de los filtros activos. 123Tabla 7.5 Materias primas del circuito de detector de presencia de red. 124Tabla 7.6 Mano de obra requerida la producción de UPS – UPQC. 125Tabla 7.7 Insumos requeridos la producción de una UPS – UPQC. 125Tabla 7.8 Resumen de costos totales. 126Tabla 7.9 Valor Actual Neto para diferentes periodos del proyecto. 127Tabla 7.10 Tabla de ahorro por concepto de Factor de Potencia. 130Tabla 7.11 Beneficios por conceptos de respaldo. 130Tabla 7.12 Beneficios por conceptos de protección. 131Tabla 7.13 Beneficios totales obtenidos por la utilización de la UPS-

UPQC.131

Tabla 7.14 Beneficios totales obtenidos por la utilización de la UPS PULSAR EXTREME ONLINE.

132

Tabla 7.15 Tabla comparativa de alternativas de UPS. 132

INTRODUCCIÓN

Con el avance de la electrónica se ha intensificado el aumento en el

número y tipos de cargas críticas y sensibles. Para proteger procesos críticos

para el usuario que posee cargas críticas o sensibles, se desarrollan los

sistemas ininterrumpibles de energía. Actualmente se puede encontrar en el

mercado una enorme cantidad de topologías para las UPS, siglas en inglés de

los sistemas ininterrumpibles de energía.

En el siguiente informe se presenta el estudio de una nueva topología

basada en dos inversores alimentados en tensión que están configurados

espalda con espalda. Estos inversores operan como filtros activos de potencia,

uno como filtro activo paralelo de corrientes armónicas y el otro como filtro activo

serie de tensiones armónicas. Esta configuración de inversores actuando como

filtros activos de potencia se conoce como condicionador unificado de calidad de

potencia (UPQC por sus siglas en inglés, Unified Power Quality Conditioner), el

cual se encarga de suprimir todas las armónicas de corriente que son inyectadas

a la red por las cargas no lineales y de mejorar sustancialmente el suministro de

tensión a la carga suprimiendo la mayoría de los disturbios de tensión presentes

en la alimentación, con lo que el sistema mejora considerablemente la calidad a

suministrar proporcionando un factor de potencia prácticamente unitario. De ahí

el nombre de esta topología.

En este informe entonces se procede a analizar y proyectar este nuevo

tipo de sistema ininterrumpible de energía basado en la topología del

condicionador unificado de calidad de potencia (UPQC), para alimentar cargas

especificadas para un KVA.

CAPÍTULO 1

TOPOLOGÍAS Y ESTÁNDARES DE LAS UPS

1.1 INTRODUCCIÓN

El enfoque de este capítulo está orientado a la descripción de los tipos,

estándares, características y funcionamiento de los sistemas ininterrumpibles de

energía conocidos por sus siglas en inglés de UPS “uninterruptible power

supplies”. En un primer lugar se darán a conocer las diferentes topologías de

UPS que se conocen en el mercado, nombrándolas y explicando sus

características principales de funcionamiento u operación. A continuación se

desarrollará una descripción del estándar IEC 62040-3 y su equivalente europeo

ENV 50091-3, el cual define claramente los tipos estandarizados de las UPS y

los métodos usados para medir su rendimiento, explicando el por qué se trata de

corregir la errada terminología que existe en el mercado de las UPS, dando las

pautas para evitar engaños y fraudes por parte de los suministradores.

Este capítulo, entonces, describe la clasificación de las topologías

conocidas de UPS, las no estandarizadas y las estandarizadas, con el propósito

de aclarar cual es realmente la terminología correcta para las UPS, describiendo

también las ventajas y desventajas que presentan cada una de ellas.

1.2 CONFIGURACIONES CONOCIDAS DE UPS NO ESTANDARIZADAS

Existen diversas configuraciones no estandarizadas de UPS y sus

respectivos modos de operación. Las dos ramas más importantes de UPS no

estandarizadas son:

• Sistemas On-Line

3

• Sistemas Off-Line

A continuación se hará un breve análisis de cada uno de estos sistemas no

estandarizados de UPS, explicando sus diferentes configuraciones conocidas.

1.3 SISTEMAS ON-LINE

La principal característica del sistema “On-Line” es el permanente

funcionamiento del inversor alimentando la carga.

Su utilización es aconsejada en aplicaciones donde exista la necesidad de

una regulación constante de la fuente de alimentación, en locales donde las

fallas y fluctuaciones de la red eléctrica son constantes. En este caso la UPS

desempeña dos papeles: alimentación del equipo en el caso de fallas y

regulación de la tensión de alimentación.

Existen diversas configuraciones posibles para sistemas “On-Line”, entre

ellas se destacan:

1.3.1 Configuración Básica

Está compuesta por tres ítems: rectificador, banco de baterías e inversor. El

rectificador es responsable por la alimentación del inversor y por el cargamento

de las baterías. El inversor retira energía directamente del banco de baterías

para suministrar a la carga. La configuración puede ser observada en la Fig.1.1

Figura 1.1: Configuración básica UPS On-Line.

4

1.3.2 Configuración con Llave de Transferencia.

Es similar a la configuración básica con la inserción de una llave de

transferencia que es responsable de la conexión directa entre la red y la carga

en situaciones de fallas o mantención del equipo, (por ejemplo: cambio de

baterías), esto evita que el usuario corra el riesgo de falta de suministro en las

situaciones arriba ejemplificadas. La configuración puede ser vista en la Fig.1.2.

1.3.3 Configuración On-Line con Cargador Separado.

Esta configuración difiere de la configuración básica por el hecho de

poseer un cargador de baterías independiente. El rectificador de entrada

suministra energía para el inversor mientras el cargador mantiene el nivel de

carga de las baterías. En el caso de falla de la red una llave se encarga de

establecer la conexión entre el banco de baterías y el inversor. Esta

configuración puede ser observada en la Fig.1.3.

Figura 1.2: Configuración con llave de transferencia.

Figura 1.3: Configuración On-Line con cargador separado.

5

Figura 1.4: Configuración con cargador separado y convertidor CC-CCelevador.

1.3.4 Configuración On-Line con Cargador Separado y Convertidor CC-CCElevador

Esta configuración es muy semejante a la configuración anterior. La

principal diferencia está en la presencia de un convertidor CC-CC elevador que

es utilizado para adaptar la tensión del banco de baterías al nivel de la tensión

de barra de entrada del inversor. Esto posibilita la utilización de un banco de

baterías con tensión reducida, lo que implica en un menor número de baterías

conectadas en serie. La configuración puede ser observada en la Fig.1.4.

1.3.5 Configuración On-Line con Procesamiento Paralelo

Esta es una configuración muy interesante por poseer una única etapa de

procesamiento de potencia y reunir en un único convertidor varias funciones.

Para que esto sea posible son utilizadas modernas técnicas de modulación y

control, lo que torna el sistema aún poco difundido. Esta configuración está

compuesta por un inversor bidirecional que, en la situación de presencia de red

funciona como filtro activo de potencia, regulando la tensión de salida y

absorbiendo las armónicas de la corriente de carga. En la falta de la red, el

inversor pasa a suplir la carga con tensión regulada. Esta configuración puede

ser observada en la Fig.1.5.

6

Figura 1.5: Configuración On-Line con procesamiento paralelo.

1.4 SISTEMAS OFF-LINE

Los sistemas “Off-Line” poseen la característica de ser de bajo costo y

reducido número de componentes. Son utilizados normalmente donde no es

necesaria la constante regulación de la tensión de alimentación.

En este tipo de sistema, la carga es normalmente alimentada

directamente por la red eléctrica. En caso de falla, la UPS es conectada a la

carga haciendo que el inversor suministre la energía necesaria para suplir el

equipo. Existen diversas configuraciones posibles para sistemas “Off-Line”,

dentro de ellas se destacan:

1.4.1 Configuración Típica

La carga es suplida directamente por la red y en caso de falla una llave

conecta el inversor a la carga. El rectificador utilizado es de pequeño tamaño y

bajo costo, responsable solamente por el cargamento de las baterías. La

configuración típica puede ser observada en la Fig.1.6.

7

Figura 1.6: Configuración típica de los sistemas Off-Line.

1.4.2 Configuración Off-Line Tri-Port

Esta es una de las configuraciones más simples en términos de electrónica.

Está compuesta por un inversor reversible con transformador de aislamiento. En

operación normal (llave cerrada), la red suple la carga a través del transformador

y suministra energía al bloque rectificador-cargador, encargado de efectuar la

carga de las baterías. En caso de falta de red, el flujo de potencia se invierte y el

inversor pasa a suplir la carga a través del transformador. Esta configuración

puede ser observada en la Fig.1.7.

Figura 1.7: Configuración Off-Line Tri-Port.

8

1.5 CONFIGURACIONES ESTANDARIZADAS DE UPS

Debido al gran aumento en el número y tipos de cargas críticas y

sensibles, el término UPS ahora es utilizado para identificar a los dispositivos

con rangos de potencia variando desde unos pocos cientos de volt-amperes

[VA], diseñadas para proteger el hardware de las computadoras personales o

desktops, hasta varios millones de volt-amperes [MVA], para grandes

computadoras y centros de comunicación.

Al mismo tiempo, las técnicas empleadas se han diversificado y los

nombres usados para los productos en el mercado son muchas veces poco

claros, al punto de ser casi engañosos para los consumidores.

Es por esto que la IEC (International Electrotechnical Comission)

estableció estándares para los diferentes tipos de UPS y los métodos empleados

para medir su rendimiento. Los contenidos de estos estándares fueron

adoptados por el CENELEC (Comité Europeo de Estandarización).

Los tres tipos de UPS estandarizadas son:

• Passive Standby (Fijación pasiva)

• Line-interactive (Interacción con la línea)

• Double conversion (Conversión doble)

Una comparación entre las tres topologías de UPS muestra que la

topología de conversión doble ofrece muchas ventajas, debido principalmente a

la posición de los componentes conectados en serie con la alimentación. Las

ventajas incluyen:

• Aislación de la carga con respecto al sistema de alimentación.

• Tolerancias muy altas para la tensión de entrada y regulación muy precisa

de la tensión de salida.

9

• Regulación muy precisa de la frecuencia de salida y la posibilidad de que

la UPS opere como convertidor de frecuencia (si se le configura para tal

propósito).

• Rendimiento superior bajo el régimen de estado estable y condiciones de

transientes.

• Ininterrupción del suministro de energía a la carga durante transferencias

a la batería en la operación de recuperación y “Modo-Bypass”.

• Un “bypass” o puente manual diseñado para facilitar la mantención.

• Aún más, este tipo de UPS tiene muy pocos puntos débiles, con la

excepción de un mayor precio, lo cual es compensado por el nivel

superior de rendimiento que es muchas veces indispensable dada la

naturaleza crítica de las cargas a proteger.

• No existe regulación de tensión para UPS de Fijación Pasiva (o Passive-

Standby).

• No existe regulación de frecuencia para las UPS de Fijación Pasiva (o

Passive-Standby) ni para las de Interacción con la Línea (o Line-

Interactive).

• Las UPS tipo Fijación Pasiva y de Interacción con la línea poseen una

protección muy básica para disturbios en el suministro de potencia debido

a la posición de la UPS conectada en paralelo con la alimentación.

En rangos de baja potencia (< 2 KVA), los tres tipos de UPS

estandarizadas son empleadas, sin embargo para altos rangos de potencia, las

UPS de Conversión Doble son utilizadas casi exclusivamente.

1.6 LA NECESIDAD PARA UN NUEVO ESTÁNDAR.

1.6.1 Diversificación en Tipos de UPS

Las primeras UPS producidas masivamente aparecieron en el mercado en

la década de los 70´s, esencialmente para satisfacer las necesidades de grandes

10

sistemas de computación en términos de continuidad y calidad en el suministro

de potencia eléctrica.

Éstas, entonces, evolucionaron para adaptarse al gran incremento en el

número de cargas sensibles y sus diversificaciones debido a la explosión en la

tecnología digital. Como resultado de esto, las UPS fueron modificadas para

satisfacer las necesidades de aplicación en mini y después en micro

computadoras, procesos industriales, instrumentos, telecomunicaciones, etc.

La adaptación a los mercados sufrió cambios tan rápidamente que se

necesito una serie de innovaciones tecnológicas y una extensión en los rangos

de potencia. Los progresos se hicieron en ambas direcciones, hacia bajos y

altos rangos, para cumplir con las respectivas necesidades de los

microcomputadores y las aplicaciones vitales de sistemas digitales de

telecomunicaciones.

1.6.2 Terminología Imprecisa y Errónea

Durante este proceso de adaptación y cambio, las técnicas empleadas por

las UPS se hicieron más diversas, dependiendo del tipo de aplicación a proteger,

su aspecto crítico y su nivel de potencia. Al mismo tiempo, la descripción elegida

para calificar productos era generalmente confusa y engañosa para los

consumidores. Existían términos que llevaban a la confusión, debido a esto se

establecieron estándares para regularizar estos problemas. A continuación se

describen los términos estandarizados con que actualmente se conocen los

diferentes tipos de UPS.

1.6.3 UPS "On-Line" (O "Sobre-Línea")

En los 1970´s, el término "UPS ONLINE" era comúnmente utilizado. Se

refería a una topología de UPS que comprendía principalmente (ver Fig.1.8.):

11

• Un RECTIFICADOR/CARGADOR de entrada, que rectificaba el

suministro de tensión de CA utilizado para cargar una batería y también

como soporte del inversor.

• Una BATERIA suministrando "energía de recuperación o respaldo" en el

evento de una falla en el suministro de potencia.

• Un INVERSOR que suministra potencia con un consistente alto nivel de

calidad (frecuencia, tensión, etc., dentro de tolerancias específicas).

• Generalmente hablando, un SWITCH ESTÁTICO o LLAVE DE

TRANSFERENCIA capaz de transferir a la carga el suministro de energía

con un puente de potencia, pero permitiendo una operación directa a la

carga.

Los encargados de la estandarización observaron que el término

"ONLINE" el cual tomado literalmente significa "en la línea del suministro", no

representaba la verdadera situación en esta topología. Esto porque la carga es

alimentada por el inversor y no directamente por los terminales de suministro de

CA. Aún así, el término fue rápidamente construido para significar una UPS

alimentando una carga continuamente vía un inversor conectado en serie con los

terminales de alimentación de corriente alterna.

El término concierne principalmente a UPS de alto poder ( 10KVA)

Figura 1.8: UPS On Line.

12

1.6.4 UPS "OFF-LINE" (O "Fuera De L ínea")

En la década de los 80´s, los tipos de cargas y rangos de potencia se

incrementaron sustancialmente y fue cuando se desarrollaron las "UPS

OFFLINE", término simplemente opuesto al "ONLINE".

Este término es utilizado para describir una topología en la cual el inversor

no está conectado en serie con los terminales de CA, sino que en paralelo, en

una configuración tipo "Fijación Pasiva". No opera continuamente, sino que sólo

cuando el suministro de tensión de CA de entrada sale de su rango de

tolerancia.

Esta topología incluye un filtro cuya función no está claramente definida y

es ocasionalmente presentado equívocamente como en función de la regulación

de tensión. (ver Fig.1.9.).

Esta topología no incluye un interruptor estático o llave de transferencia,

como resultado de que los tiempos de conmutación en la carga son demasiado

largos para algunas aplicaciones.

Nuevamente los encargados de estandarización observaron que el

termino "OFF-LINE", el cual tomado literalmente significa "fuera de la línea de

suministro", no representa la verdadera situación en esta topología. La carga

Figura 1.9: UPS Off-Line.

13

es principalmente alimentada directamente del suministro de potencia de entrada

de CA y la acción del inversor es demandada sólo esporádicamente, en el

evento de un problema en la línea de suministro de potencia.

Los usuarios, sin embargo, rápidamente adoptaron esta topología y el

término "OFF-LINE" se utiliza principalmente para UPS de baja potencia ( 2KVA)

1.6.5 Otros Términos

En la década de los 90´s, aún más tecnologías fueron desarrolladas. El

término "Línea-Interactiva" es utilizado por UPS que implementan inversores

reversibles, de todas maneras, la incertidumbre creada por las muchas versiones

de topologías, expuso a los consumidores a tácticas abusivas por parte de los

distribuidores, por ejemplo, algunas topologías fueron nombradas "En-línea

(INLINE)" y en algunos casos, el término "Sobre-línea (ONLINE)" era utilizado de

manera muy errada.

1.7 EL NUEVO ESTÁNDAR.

Después de un período, esta situación permitió un sin número de

ambigüedades incluso claros fraudes, hechos en contra de los intereses de los

consumidores, viéndose penalizadas por ello manufacturadoras respetables.

La necesidad de establecer un estándar con términos claramente

definidos se volvió inevitable y es por esto que un grupo de trabajo del IEC se

dedicó a crear un estándar para los tipos de UPS y los métodos utilizados para

medir su rendimiento. El Cenelec adoptó los contenidos del estándar IEC.

Estos esfuerzos produjeron el estándar IEC-62040-3 y su equivalente

Europeo ENV 50091-3 (en donde la "V" indica un pre-estándar, emitido por un

período de prueba de tres años), el cual claramente define los tipos

estandarizados de las UPS y los métodos usados para medir su eficiencia.

14

1.8 TOPOLOGIAS ESTANDARIZADAS DE UPS

Los estándares IEC 62040-3 y ENV 50091-3 distinguen los siguientes tres

tipos de topologías de UPS:

• Fijación Pasiva (Passive Standby)

• Interacción con la Línea (Line-Interactive)

• Conversión Doble (Double Conversion)

Estos términos se refieren a la operación de las UPS con respecto a sus

Líneas de poder, sus terminales de alimentación.

Los estándares definen los siguientes términos para potencia o

alimentación de entrada:

• Alimentación Primaria (primary power): Suministro o alimentación

normalmente disponible continuamente, el cual es usualmente

suministrado por una compañía eléctrica pero muchas veces por

generación propia de un usuario (planta).

• Alimentación Fija (Standby power): Alimentación destinada a

reemplazar la alimentación principal en el caso de falla de la

alimentación primaria.

Prácticamente hablando, una UPS tiene una o dos entradas:

• La "Entrada CA Normal" (algunas veces llamada terminal 1) es

suministrada con alimentación primaria.

• La "Entrada CA pasiva" (algunas veces llamada terminal 2) cuando exista,

también puede ser suministrada por la alimentación primaria o, donde sea

posible, con alimentación de recuperación (de hecho un cable separado

del mismo tablero principal de baja tensión).

15

Figura 1.10: Modos de operación de UPS fijación pasiva.

1.8.1 Principios de Operación de la "UPS Fijación Pasiva (Passive Standby)":

El inversor se conecta en paralelo y actúa simplemente para recuperar la

red de alimentación. A continuación se describen los modos de operación de

este tipo de configuración de UPS. El inversor está en fijación pasiva (Fig.1.10)

• Modo Normal:

La carga es suministrada con alimentación de entrada CA, generalmente

vía un FILTRO/CONDICIONADOR el cual elimina ciertos disturbios y que

también puede proveer de regulación de tensión.

Los estándares no mencionan este filtro y simplemente hablan de un

"SWITCH UPS". Aún así, estos estipulan que "dispositivos adicionales puede

ser incorporados para proveer acondicionamiento de potencia. Por ejemplo,

transformador ferro-resonante o transformadores con cambiador automático de

tap".

• Modo Energía Almacenada:

16

Cuando el suministro de tensión de entrada de CA se sale de las

tolerancias especificadas, la batería y el inversor aseguran continuidad en el

suministro de potencia a la carga por un tiempo de conmutación muy corto

(generalmente 10mins). Los estándares no mencionan un tiempo especifico,

pero sí estipulan: "la carga es transferida al inversor directamente o vía el “switch

UPS” (el cual puede ser electrónico o electromecánico)".

La UPS continúa operando con la alimentación de la batería por la

duración del tiempo de recuperación o, tal como pueda ser el caso, hasta que

regrese el suministro de la tensión CA de entrada dentro de los rangos de

tolerancia permitidos, ante lo cual la UPS retoma el modo normal.

• Ventajas:

• Diseño simple.

• Bajo costo.

• Tamaño pequeño.

• Desventajas:

• No existe una real aislación de la carga con el sistema de

alimentación.

• Largo tiempo de conmutación. La ausencia de un verdadero

interruptor estático significa que el tiempo que requiere la carga para

conmutar al inversor es relativamente largo, aunque aceptable para

ciertas aplicaciones (computadores aislados por sí solos etc.). Este

nivel de rendimiento no es compatible con las necesidades de grandes

y complejos grupos de cargas sensibles (grandes computadoras,

telecomunicaciones etc.).

• No existe regulación de la tensión de salida.

• No existe regulación de la frecuencia de salida, la cual depende de la

de los terminales de entrada (frecuencia de entrada o del sistema).

17

• Aplicaciones:

Esta topología es el resultado de un compromiso entre un aceptable nivel

de protección contra perturbaciones y el costo. Es de hecho simplemente, una

reproducción de la topología "OFFLINE (fuera de línea)" presentada

anteriormente. Los estándares sugieren que el término "OFFLINE" no sea

utilizado. Estos recomiendan el uso del término "UPS de FIJACIÓN PASIVA

(PASSIVE STANDBY)" el cual es mucho más ajustado a la descripción del

principio de operación. Es por esto que, debido a las desventajas enlistadas

anteriormente, esta topología de UPS es utilizada solamente para bajos rangos

de potencia (<2KVA). No puede ser utilizado para conversión de frecuencia.

1.8.2 Principios de Operación de la "Ups Línea Interactiva (Line Interactive)":

El inversor es conectado en paralelo y actúa para recuperar el suministro

de energía (ver Fig.1.11). También carga la batería a través de su operación

reversible, interactuando con la red de alimentación. Las topologías llamadas

"Buck/Boost", "AVR (automatic voltage regulation)" y "Delta Conversion"

pertenecen a la categoría de las UPS tipo Interacción con la Línea.

Figura 1.11: Modos de operación de UPS de Interacción con la Línea.

18

Los estándares definen tres modos de operación:

• Modo Normal:

La carga es suministrada con "alimentación de terminales

acondicionados" vía una conexión paralela del inversor de la UPS con los

terminales de CA. El inversor opera para proveer acondicionamiento de tensión

de salida y/o carga de batería. La frecuencia de salida es dependiente de la

frecuencia del sistema (o de la de los terminales de entrada CA).

• Modo Energía Acumulada:

Cuando el suministro de tensión alterno sale de las tolerancias

especificadas o falla, el inversor y la batería deben ser capaces de continuar

proporcionando potencia a la carga. El interruptor (estático en algunos casos)

desconecta el suministro de entrada CA para prevenir contra-alimentación hacia

el inversor.

La UPS opera en modo energía acumulada a lo largo del tiempo de

duración de energía almacenada o hasta que regrese la alimentación de entrada

CA dentro de sus tolerancias de diseño, punto en el cual la UPS retoma el modo

normal de operación.

• Modo Puente o Bypass:

Este tipo de UPS puede incluir un puente o “bypass” de mantención. En

el caso de una mala función interna de la UPS, la carga puede ser transferida a

una alimentación en puente de entrada vía el puente de mantención.

• Ventajas:

• El costo puede ser menor que el de una UPS de conversión doble de

igual rango de potencia

• Desventajas:

19

• No existe una real aislación de la carga con el sistema de

alimentación.

• No existe regulación de la frecuencia de salida, la cual depende de la

de los terminales del suministro de entrada CA.

• Pobre protección contra impulsos y sobre tensiones.

• El acondicionamiento de la tensión de salida es mediocre pues el

inversor no está conectado en serie con la entrada CA. Los

estándares hablan de una "alimentación acondicionada" vía una

conexión paralela de la entrada CA con el inversor de la UPS. El

acondicionamiento es sin embargo limitado debido a la operación

reversible del inversor.

• Pobre eficiencia cuando opera con cargas no-lineales.

• Aplicaciones:

Esta topología calza pobremente con cargas sensibles de medios a altos

rangos de potencia porque no es posible la regulación de frecuencia. Por esta

razón, casi nunca es usada en tales rangos.

1.8.3 Principios de Operación de la "UPS de Conversión Doble (Double Conversion)":

El inversor está conectado en serie entre la entrada CA y la carga. La

alimentación o suministro de la carga fluye continuamente a través del inversor.

Los estándares definen tres modos de operación (ver Fig.1.12):

• Modo Normal:

La carga es continuamente alimentada vía la combinación

RECTIFICADOR/CARGADOR-INVERSOR la cual lleva a cabo una conversión

doble CA-CC-CA, de allí el nombre de esta topología.

20

Figura 1.12: Modos de operación de UPS Conversión Doble.

• Modo Energía Acumulada:

Cuando el suministro de tensión alterno sale de las tolerancias

especificadas, el inversor y batería continúan con el soporte de alimentación de

la carga.

La UPS opera con el modo energía acumulada a lo largo del tiempo de

duración de energía almacenada o hasta que regrese la alimentación de entrada

CA dentro de sus tolerancias de diseño, punto en el cual la UPS retoma la

operación modo normal.

• Modo Puente o Bypass:

Este tipo de UPS está generalmente equipado con un interruptor estático

o llave de transferencia. Si un interruptor estático está presente, la carga puede

ser transferida sin interrupción al puente CA de alimentación vía el interruptor

estático bajo las siguientes condiciones:

• Mala función interna de la UPS.

21

• Transientes de corriente en la carga (inrush o aclaración de fallas)

• Sobrecargas.

• Fin del tiempo de recuperación de la batería.

• Sin embargo, la presencia de un puente implica que las frecuencias de

entrada y salida deben ser idénticas y que un transformador debe ser

instalado en el puente o bypass si la tensión de entrada y salida no son

iguales.

• Ventajas:

• La continua protección de la carga es proveída por el inversor, sea esta

originada desde el suministro de entrada CA o desde la batería.

• Existe aislación de la carga del sistema alimentación eliminando la

transmisión de cualquier tipo de fluctuaciones tales como impulsos y

sobre tensiones a la carga.

• Posee amplio rango de tolerancias de tensión de entrada y una regulación

precisa de la tensión de salida.

• Posee Regulación precisa de la frecuencia de salida y posibilidad de la

operación de la UPS como convertidor de frecuencia (si se configura para

tal propósito) mediante la deshabilitación de la llave de transferencia.

• Niveles de rendimiento muy superiores bajo condiciones de estado

estable y transientes, en comparación con los otros tipos de UPS

estandarizadas.

• Transferencia instantánea al modo energía almacenada en el caso de una

falla en el suministro de entrada CA.

• Transferencia sin interrupción al modo puente o “bypass”.

• Interruptor o bypass manual diseñado para facilitar mantención.

• Desventajas:

• Alto precio, compensado por los numerosos beneficios.

• Aplicaciones:

22

Esta es la topología más completa en términos de protección de carga,

posibilidades de regulación y niveles de rendimiento. Es de hecho la topología

"On-Line" presentada al comienzo del documento. Los estándares establecen

que el término "On-Line" no debe ser usado. Estos recomiendan el término

"Conversión Doble", el cual es mucho más ajustado a la descripción del principio

de operación.

Esta topología hace posible que la operación sea continua durante las

transferencias de carga del modo normal al modo puente o “bypass” y viceversa,

utilizando una llave de transferencia. También asegura la independencia total de

las tensiones y frecuencias de salida con respecto a las tensiones y frecuencias

de entrada.

Debido a sus numerosas ventajas, las UPS de conversión doble son

utilizadas casi exclusivamente para la protección de aplicaciones críticas en

rangos de alta potencia. ( 10KVA)

CAPÍTULO 2

COMPONENTES DE UNA UPS Y SU OPERACIÓN

2.1 INTRODUCCIÓN

En el siguiente capítulo se presentarán los diferentes componentes que

conforman al sistema ininterrumpible de energía UPS, especificando sus

características y su operación o funcionamiento.

Los componentes que se describirán son: los transformadores para

aislación, las baterías, los inversores, los rectificadores-cargadores y los

interruptores estáticos.

Algunas características de las UPS que serán vistas en este capítulo son:

regulación de la tensión de salida, aislación eléctrica y paralelismo, modulación

PWM para los interruptores, etc.

2.2 AISLAMIENTO EN LAS UPS

En la gran mayoría de las aplicaciones de UPS el aislamiento galvánico

entre la entrada y la salida es necesario, tanto para seguridad del usuario como

para la adaptación de niveles de tensión y protección de la carga contra posibles

disturbios en la red de alimentación.

Existen dos formas de efectuarse el aislamiento galvánico de una UPS,

mencionadas a continuación.

• Aislamiento por transformador de baja frecuencia

• Aislamiento por transformador de alta frecuencia

24

Figura 2.1: Modos de conexión del transformador de baja frecuencia.

2.2.1 Aislamiento por Transformador de Baja Frecuencia

El transformador de baja frecuencia posee la ventaja de efectuar el

aislamiento de todos los componentes de la UPS, inclusive las configuraciones

que utilizan llave estática de transferencia, dando mucha más seguridad al

usuario del sistema. El transformador puede ser colocado de tres maneras

distintas: en la entrada, en la salida o en ambas, entrada y salida, como se

observa en la Fig.2.1.

La aparente desventaja en la utilización del aislamiento en baja frecuencia

está en el elevado peso y volumen ocupado por los transformadores con núcleos

compuestos por chapas de fierro-silicio.

25

Figura 2.2: Modos de utilización del aislamiento en alta frecuencia.

2.2.2 Aislamiento por Transformador de Alta Frecuencia

El aislamiento en alta frecuencia posee la ventaja de compactación y

reducción de peso obtenidos por la utilización de transformadores construidos en

núcleos de ferrita. El punto negativo está en el hecho de que en algunas

configuraciones no existe el completo aislamiento de todos los componentes de

la UPS. Existen diversas variaciones en esta forma de aislamiento, siendo las

principales vistas en la Fig.2.2.

2.3 BATERÍAS

En la falta de energía debido a caídas del suministro o salidas de éste en

cuanto a tolerancias, las baterías asumen el papel crucial de garantizar la

26

tensión de alimentación de la carga, manteniendo las características exigidas por

la carga por un período suficiente para que se salven informaciones hasta que

un sistema de generación auxiliar entre en acción. Debido a esto se puede decir

que las baterías son el “corazón” de la UPS, mereciendo toda atención y

cuidado.

2.3.1 Nomenclaturas

• Batería: fuente electroquímica de energía que consiste en un grupo de

células conectadas en serie, o en paralelo.

• Capacidad: expresada en amperes versus hora (Ah), depende de la

corriente de descarga, de la temperatura durante la descarga, del voltaje

final de corte y del histórico de la batería.

• Capacidad nominal: capacidad (Ah) definida por el fabricante,

normalmente para un tiempo de descarga especificado, para un voltaje

dado en una determinada temperatura.

• Célula: Unidad electro-química básica.

• Carga: La conversión de energía eléctrica en química dentro de una

célula o batería

• Cadena: Un número de células conectadas en serie para obtener el

voltaje deseado.

• Voltaje de Carga: Es el voltaje necesario para cargar una batería después

de una descarga. Este voltaje es igual o mayor que el voltaje de

fluctuación.

• Voltaje final: Voltaje mínimo al que la batería puede llegar durante un

proceso de descarga. Este voltaje es determinado a través del mayor

valor para los siguientes casos:

o voltaje mínimo que la batería puede soportar.

o voltaje que la carga puede tolerar.

27

• Carga de ecualización: Una carga, realizada en intervalos regulares o

cuando es requerida, para mantener una cadena de células cargadas

totalmente, para que cada célula llegue a un voltaje de fluctuación, dentro

de los límites determinados.

• Voltaje de ecualización: Voltaje necesario para proveer la carga de

ecualización. Esta carga es normalmente aplicada con los equipos

conectados, con valor mayor que el voltaje de fluctuación, pero debe

exceder el máximo voltaje de los equipos.

• Fluctuación o fluctuación de carga: es un método de operación para

baterías, en el cual una tensión constante es aplicado en los terminales de

la batería, el cual es suficiente para mantener un estado de carga

aproximadamente constante. Aplicaciones regulares de tensiones de

ecualización pueden ser requeridas.

• Carga inicial: Es la carga suministrada a una batería después de su

instalación, para asegurar que ella quede totalmente cargada. La tensión

utilizada en una carga inicial puede exceder el máximo voltaje de los

equipos conectados, teniendo que ser realizada con los terminales de la

batería desconectados.

• Célula piloto: Célula de una cadena, seleccionada para monitorización y

considerada como representativa de la cadena de células.

• Tiempo de reserva: Tiempo para el cual la batería es proyectada para

suplir la carga.

• Corriente de carga del sistema: La mayor corriente media solicitada por la

carga durante el número de horas del tiempo de reserva. Por ejemplo, si

la batería tiene 3 horas de tiempo de reserva, esta es la mayor corriente

media por 3 horas consecutivas.

28

2.3.2 Factores que Influyen en la Vida Útil de las Baterías.

El cambio de baterías en una UPS representa un porcentaje importante de

su costo original. Baterías dañadas reducen la confiabilidad del sistema y son

una fuente de problemas y de tiempo perdido en mantención. Así, es interesante

que las causas de daños sean identificadas para que el cambio de las baterías

sea atrasado o evitado. Estos son:

• Temperatura: La vida útil de una batería se reduce en torno del 10% para

cada 50ºC adicionales.

• Forma de recargar: La vida útil de las baterías se maximiza si recibiesen

potencia de un cargador que mantenga una determinada fluctuación de

tensión. Es interesante que él actúe, inclusive si la UPS estuviera en

operación.

• Tensión de las baterías: Al someter una o más baterías (en serie) a un

proceso de carga, algunas de sus placas se cargan con niveles diferentes

de tensión. Las que se cargan más, envejecen prematuramente. Así, una

batería, puede quedar debilitada si apenas una de sus placas se daña.

• Ondulación de corriente: La corriente sobre las baterías posee una

ondulación, generando pequeños ciclos internos de carga y de descarga,

a una frecuencia que es el doble en relación a la tensión de alimentación,

produciendo un aceleramiento en el envejecimiento de las placas.

• Almacenamiento: Durante un período de almacenamiento, la batería se

descarga lenta y espontáneamente, tanto más cuanto mayor fuera la

temperatura a que estuviera sometida. Así, se recomienda que estas sean

almacenadas en temperaturas entre 15°C a 25°C. Las baterías no deben

ser almacenadas por más de 6 meses sin sufrir un proceso de recarga. Si

hubiesen intervalos mayores, las mismas deben ser cargadas,

descargadas y recargadas antes del uso.

29

2.4 CARGADORES DE BATERIAS

El desarrollo de la tecnología de las baterías selladas y recargables,

conocidas como libres de mantención (debido a la característica de

recombinación del oxigeno desprendido de las placas positivas que se

transforma en agua, a través de una reacción combinada), resultó en una

revolución. En el mundo de las UPS’s posibilitó la integración de sistemas y,

también, que las UPS’s pudiesen ser instaladas en ambientes de trabajo

próximas a su carga, por ejemplo, computadores.

Utilizando baterías como fuente secundaria, surge la necesidad de la

existencia de un sistema cargador de baterías, que las mantenga en un nivel de

tensión adecuado y que las recupere después de un período de esfuerzo.

Existen diversas maneras de cargar el banco de baterías dependiendo de la

configuración de UPS utilizada. Algunos de los principales circuitos serán

descritos a continuación.

2.4.1 Rectificador Controlado de Baja Frecuencia.

Este tal vez sea uno de los cargadores más simple de ser implementado

pero posee como desventaja gran volumen y baja eficiencia. El aislamiento es

opcional y generalmente es utilizado para adaptación en bancos de baterías con

tensión reducida. El circuito típico de esta configuración puede ser visto en la

Fig.2.3.

2.4.2 Convertidor CC-CC Reductor en Alta Frecuencia

Los cargadores de batería que poseen operación en alta frecuencia

presentan peso y volumen aliados a la ventaja de poca ondulación de la

corriente cuando se está cargando, proporcionando mayor eficiencia y aumento

de la vida útil de las baterías. Un circuito típico utilizando el convertidor reductor

(Buck) puede ser observado en la Fig.2.4.

30

Existen configuraciones donde es necesario el aislamiento del circuito

cargador. En estas situaciones una opción interesante es la utilización de un

convertidor CC-CC aislado en alta frecuencia.

2.4.3 Convertidor CC-CC Aislado con Ecualización de las Baterías.

Otra característica importante, principalmente en casos donde los bancos

de baterías son constituidos de varias baterías en serie, es la ecualización de las

Figura 2.3: Rectificador controlado de baja frecuencia.

Figura 2.4: Cargador reductor en alta frecuencia.

31

baterías, o sea, el equilibrio proporcional de la tensión aplicado en la barra. En la

Fig.2.5 se muestra un cargador muy eficaz para estas características; el

convertidor CC-CC Flyback con múltiples devanados. Además de proveer la

aislación, también posee la característica de enviar un paquete de energía mayor

para las salidas de menor tensión, realizando así naturalmente, el equilibrio de

tensiones.

2.4.4 Cargadores con Corrección de Factor de Potencia (CFP)

En aplicaciones donde están envueltas normas, las especificaciones en

relación a la máxima distorsión armónica y/o factor de potencia en la entrada; se

puede utilizar, por ejemplo, el circuito de la Fig.2.6. El convertidor elevador

(Boost) es utilizado a gran escala en la corrección del factor de potencia en

diversas aplicaciones, pero posee la desventaja de ser elevador de tensión,

pudiendo solamente ser utilizado en casos donde la tensión de barra de baterías

fuera mayor que el valor de pico del voltaje de entrada. Para situaciones donde

el banco de baterías posee valor reducido se aconseja la utilización de otro

convertidor que trabaje como reductor de tensión, como por ejemplo el Sepic o el

convertidor Zeta.

Figura 2.5: Cargador flyback con ecualización.

32

Figura 2.6: Cargador elevador con corrección del factor de potencia.

2.5 INVERSORES

El éxito en el desarrollo de un sistema UPS esta íntimamente relacionado

con la elección adecuada de un circuito CC-CA, llamado inversor. Existen

diversas variaciones topológicas de inversores, originadas siempre de tres

circuitos inversores básicos: Push-Pull, Medio Puente y Puente Completo.

2.5.1 Inversor Push-Pull.

El inversor Push-Pull, Fig.2.7 es el más utilizado comercialmente en

aplicaciones de UPS, generalmente con salida rectangular en baja frecuencia, en

aplicaciones de pequeño tamaño y que no necesite de una forma de onda

senoidal. Sus principales características son:

• Estructura naturalmente aislada.

• Circuitos de comando en la misma referencia de la fuente.

• Estructura robusta con apenas dos interruptores controlados.

33

Figura 2.7: Inversor Push-Pull.

2.5.2 Inversor Medio Puente

La principal ventaja de este inversor es el hecho que posee apenas dos

interruptores controlados, tornando el sistema robusto. Su punto negativo está

en la utilización de dos condensadores de potencia para la obtención del punto

medio. Además de eso, necesita un circuito de comando aislado. El circuito

básico puede ser observado en la Fig.2.8.

Figura 2.8: Inversor medio puente.

34

2.5.3 Inversor Puente Completo.

Este inversor tal vez sea el menos utilizado para esta aplicación,

principalmente por poseer cuatro interruptores controlados, que vuelven la

estructura cara y poco robusta. Además, la estructura no es naturalmente aislada

y también necesita de circuitos de comandos aislados. En relación a la estructura

“medio puente” posee la ventaja de no necesitar de fuente con punto medio y los

interruptores son sometidos a la mitad del voltaje. El circuito básico puede ser

observado en la Fig.2.9.

2.6 REGULACIÓN DE CARGA.

Un factor fundamental para el éxito en la implementación de una UPS es

el conocimiento de las cargas que serán alimentadas, para que se consiga, en

las más diversas situaciones, suministrar una tensión regulada y de buena

cualidad. Otro factor que debe ser tomado en cuenta, principalmente para

sistemas de doble conversión, es la tasa de variación de la tensión de entrada.

De entre diversas maneras de efectuarse la regulación de carga, se

discutirán tres:

Figura 2.9: Inversor puente completo.

35

• Control de la tensión de Barra

• Control de la tensión empleando modulación senoidal PWM

• Control de la tensión después del inversor

Cabe al proyectista definir cual es el mejor método a ser empleado,

considerando las condiciones de carga y especificaciones del proyecto.

2.6.1 Control de la Tensión de Barra

Este tal vez sea el método más simple a ser utilizado y puede ser aplicado

tanto en sistemas de doble conversión como sistemas de fijación pasiva. Este

control exige la presencia de un convertidor CC-CC entre el banco de baterías y

la entrada del inversor. Vale resaltar que este método realiza apenas la

regulación de la tensión de carga, dejando la forma de onda bajo la

responsabilidad del inversor. El diagrama de bloques del circuito puede ser

observado en la Fig.2.10.

2.6.2 Control de la Tensión Empleando Modulación PWM.

Este es el método más eficaz en el control de la tensión de salida de los

inversores. Consiste en hacer el control del ancho del pulso de tensión aplicado

a la carga en convertidores operando en baja o alta frecuencia. El inversor

escogido para demostrar esta estrategia fue el medio puente con filtro de salida,

que puede ser visto en la Fig.2.11. El filtro es responsable de la eliminación de

armónicos y obtención de una forma de onda senoidal en la carga.

Figura 2.10: Regulación por control de la tensión de barra.

36

Figura 2.11: Inversor medio puente con regulación por modulación PWM.

2.6.3 Control PWM en Baja Frecuencia.

Es utilizado en convertidores con modulación en baja frecuencia, o sea,

inversores que aplican una forma de onda rectangular en la carga. En la

Fig.2.12, se presentan las formas de onda de un inversor medio puente con esta

regulación. El control del voltaje eficaz de salida es obtenido por la variación del

ángulo φ.

Figura 2.12: Regulación PWM en baja frecuencia.

37

2.6.4 Control PWM en Alta Frecuencia

Principalmente en los sistemas de doble conversión, es deseable que se

obtenga una tensión de salida senoidal. Para esto es necesaria la utilización de

filtros de salida. En el caso de modulación en baja frecuencia, los filtros utilizados

son voluminosos y no siempre eficaces. Para minimizar el contenido armónico es

necesaria la aplicación de una modulación adecuada, de preferencia en alta

frecuencia. De entre las modulaciones más utilizadas está la modulación PWM

senoidal. Operando en alta frecuencia, el tamaño del filtro es reducido y la

tensión de salida es mantenida por el circuito de comando de los interruptores,

debido a la aplicación de un controlador adecuado.

La modulación utilizada es obtenida a partir de la comparación de una

referencia de la señal deseada en la salida con una señal moduladora diente de

sierra o triangular. El resultado de la comparación es una señal PWM con

frecuencia y amplitud fijas que será utilizado para comparar los interruptores

complementariamente.

Figura 2.13: Generación de la señal PWM senoidal de tres niveles de tensión.

38

El inversor posee en su salida un filtro LC responsable por la

demodulación de la señal generada, extrayendo de él su componente

fundamental.

En la Fig.2.13 se puede observar una muestra de las señales presentes

en la entrada y salida del comparador.

La señal PWM posee razón cíclica que varía idealmente de O a 1 en cada

interruptor.

2.7 CONTROL DE LA TENSIÓN DE CARGA DESPUÉS DEL INVERSOR

Este tipo de regulación es utilizado en aplicaciones donde se desea

principalmente robustez y simplicidad. Como desventaja este sistema posee

peso y volumen elevados, así como alto costo y bajo rendimiento. Existen dos

maneras de lograr esa regulación, utilizando transformador multi-devanados o

filtro ferro resonante.

2.7.1 Transformador Multi-Devanados

El control es hecho con el cambio en la relación de transformación del

transformador de salida de la UPS a través de llaves, relés u otros dispositivos

semejantes. Este tipo de control normalmente es lento y somete la carga a

transitorios indeseados. El circuito básico puede ser visto en la Fig.2.14.

Figura 2.14: Regulación con transformador multi-devanados.

39

Figura 2.15: Regulación con transformador ferro-resonante.

2.7.2 Filtro Ferro-Resonante

Este tipo de filtro es muy utilizado en estabilizadores y puede ser

implementado con o sin aislamiento. Un transformador saturable es asociado en

paralelo con un condensador produciendo así el efecto de un condensador

variable. La tensión de salida se mantiene prácticamente constante a pequeñas

variaciones de red, sin la necesidad de utilización de interruptores o partes

móviles. El circuito básico puede ser observado en la Fig.2.15.

2.8 LLAVE DE TRANSFERENCIA

La llave de transferencia es uno de los componentes más críticos en el

desarrollo de un sistema UPS, principalmente por el hecho de ser la responsable

por la conmutación de corrientes elevadas en situaciones de riesgo para la

carga. En caso de falla de la UPS la llave estática debe efectuar la inmediata

conexión entre la red y la carga, sin que el usuario sufra cualquier pérdida de

información. En configuraciones de fijación pasiva la llave estática es

responsable por la conexión entre la UPS y la carga siempre que ocurra una falla

en la red alimentadora. Es fundamental que la transferencia sea hecha sin daño

al usuario o su equipo.

Algunos equipos, como los motores, cargas capacitivas, etc., exigen que

la transferencia entre el inversor y la red o viceversa sean sincronizadas, puesto

40

que se puede provocar un corto-circuito momentáneo y llevar a la destrucción del

equipo. De esta manera, es necesario que se haga un análisis del equipo a ser

alimentado para que se pueda definir el grado de complejidad del control de la

llave estática. Las llaves pueden ser constituidas de interruptores estáticos o

relés, dependiendo de la aplicación y de los tiempos de transferencia exigidos.

Las principales topologías de llave estática son:

• Sistema de doble conversión aislado

• Sistema de doble conversión no aislado

• Sistema de fijación pasiva

2.8.1 Sistema de Doble Conversión Aislado

Este sistema es el más indicado debido a que proporciona el aislamiento

galvánico total entre equipo y usuario. El circuito básico puede ser observado en

la Fig.2.16. Como la carga es alimentada por la UPS, la llave será utilizada

solamente en casos de mantención o falla.

2.8.2 Sistema de Doble Conversión no Aislado

Este sistema exige, generalmente la utilización de llaves en los dos

terminales que unen la carga y la fuente de energía, debido a los diferencias de

potencial, tornándolo más complejo y menos robusto. Un ejemplo del circuito

puede ser visto en la Fig.2.17.

Figura 2.16: Llave de transferencia en sistemas doble conversión aislados.

41

Figura 2.17: Llave de transferencia en sistemas doble conversión no aislados.

Figura 2.18: Llave de transferencia en sistemas de fijación pasiva.

2.8.3 Sistema de Fijación Pasiva

Es el sistema más simple y de bajo costo. Normalmente es utilizado sin

sincronismo y con interruptores mecánicos. En operación normal la llave

permanece cerrada y la carga es alimentada por la red. En caso de falla, la llave

se abre y la UPS pasa a suministrar energía. El circuito básico puede ser visto

en la Fig.2.18.

2.9 UPS PROYECTADA

Finalmente, la UPS a estudiar está basada en el controlador unificado de

calidad de potencia conocido por sus siglas en inglés UPQC “Unified Power

42

Quality Conditioner”, el cual se encarga de eliminar todo tipo de distorsión

armónica presente en el sistema a través de filtros activos de potencia, ya sea

por efectos de las cargas no lineales o por efectos de disturbios presentes en la

alimentación.

Este tipo de UPS-UPQC es considerado como un sistema de interacción

con la línea, o en inglés “Line Interactive UPS”, cuya topología se muestra a

continuación en la Fig.2.19.

Este tipo de UPS consta de dos inversores conectados espalda con

espalda, los cuales son los que operan como filtros activos de potencia, uno

como filtro activo paralelo, y el otro como filtro activo serie, y que serán descritos

en los capítulos que siguen.

Figura 2.19: Sistema UPS tipo UPQC.

CAPÍTULO 3

FILTRO ACTIVO PARALELO (FAP)

3.1 INTRODUCCIÓN

El sistema en estudio, la UPS tipo controlador unificado de calidad de

potencia (UPQC), consta de dos inversores configurados espalda con espalda,

uno que opera como filtro activo paralelo y otro como filtro activo serie. En este

capítulo se describe el filtro activo paralelo detallando su funcionamiento, el

análisis de proyecto necesario para su implementación y las características

principales del mismo. A través de simulaciones se validará el correcto

desempeño del primer inversor del sistema UPS-UPQC, que es el que opera

como filtro activo paralelo de potencia, el cual se muestra en la Fig.3.1, donde se

aprecia el sistema completo.

Figura 3.1: Diagrama en bloque de la UPS con FAP.

44

3.2 EL FILTRO ACTIVO PARALELO (FAP)

Esencialmente un filtro activo de potencia es un inversor alimentado por

tensión o corriente el cual es controlado de manera de obtener una forma de

onda de corriente en la red IRED que siga el mismo formato de la tensión de

alimentación o de red VRED. Por lo tanto, el filtro activo entrega a una carga no

lineal, la corriente armónica IFAP, pedida por ella. (Observar Fig.3.2). Debido a

esto los filtros constituyen una alternativa viable para compensar armónicos en

los sistemas eléctricos de potencia. En la Fig.3.3, se aprecian las corrientes

involucradas en el sistema para una carga netamente no lineal.

Figura 3.2: Configuración del FAP.

Figura 3.3: Ondas del filtro activo paralelo.

45

El compensador armónico de corriente o filtro activo paralelo (FAP)

propuesto y estudiado se muestra en la Fig.3.4. Éste se compone de un inversor

tipo puente completo alimentado en tensión y una inductancia de acoplamiento

LC1. Se conecta en paralelo entre la fuente de alimentación y la carga, las cuales

respectivamente están representados por una tensión ideal (V RED) y una fuente

de corriente o carga no lineal (ICARGA).

El filtro activo paralelo y su estrategia de control son mostrados en la

Fig.3.5. La idea principal es generar una corriente IFAP la cual debe ser capaz de

cancelar todas las armónicas que están siendo inyectadas a la red por la carga

no lineal. El lazo interno de corriente compara la referencia armónica de

corriente (IREF) con la corriente de la carga no lineal (ICARGA). Esto produce un

error el cual es inyectado hacia un compensador o red atraso adelanto con un

integrador (GC1). Su salida es entonces comparada con una onda triangular,

generando las señales de accionamiento de los interruptores del FAP (PWM1).

Figura 3.4: FAP propuesto.

46

Figura 3.5: Estrategia de control del FAP.

El lazo externo, conocido como el lazo de tensión es el responsable de

mantener la tensión promedio en el lado de CC del inversor, constante. Esto se

realiza a través de la toma de una muestra de VF comparándola con la referencia

VF*. El error resultante se inyecta al compensador (GC2) que se encarga de

mantener constante la tensión de alimentación del inversor. Su salida es

entonces multiplicada por una señal sinusoidal proporcional y en fase con la

tensión entrada (VS1). El resultado de esta multiplicación es la corriente de

referencia IREF requerida en el lazo interno de corriente.

La gran importancia de este lazo externo de tensión está en el hecho del

cargamento de las baterías, ya que al mantener constante la tensión de

alimentación del filtro y utilizando un convertidor CC-CC bidireccional en

corriente apropiado se logra que las baterías se carguen y descarguen de

manera óptima.

47

3.3 ESTUDIO ANALÍTICO

Para el análisis, es importante tener en cuenta el tipo de comando que se

efectúa para accionar los interruptores del inversor PWM alimentado en tensión

del FAP. Esto se logra comparando la señal moduladora (Vm) con dos

portadoras triangulares desfasadas 180 grados entre si (VT1,VT2), de tal manera

de obtener un nivel de tensión positivo, otro negativo y cero, tal como se aprecia

en la Fig.3.6(b).

Gracias a la versatilidad del filtro activo paralelo, la modulación se puede

realizar en multiniveles de tensión. Para este proyecto se utilizó una modulación

de tres niveles de tensión para accionar los interruptores (Fig.3.6(a)). Este tipo

de modulación se puede apreciar en la Fig.3.7 donde se muestran las etapas de

operación cuando el filtro opera a tres niveles de tensión, para ambos semiciclos

de la corriente de red [10].

Figura 3.6: Modulación a tres niveles de tensión para comando de interruptores.

48

Figura 3.7: Etapas de operación para PWM de tres niveles de tensión (para semiciclo positivo de la corriente de red).

En la operación a tres niveles, la tensión Vab (entre a y b) puede ser igual

a VF, -VF o cero. Las señales de comando para los interruptores son generadas

a través de la comparación de una señal moduladora Vm con dos señales

portadoras triangulares VT1 y VT2, desfasadas en 180º, como muestra la Fig.3.6.

El interruptor S1 es comandado complementariamente a S2 y el interruptor

S4 es comandado complementariamente a S3. Se hace necesario un tiempo

muerto entre el bloqueo de un interruptor y la entrada en conducción de otro para

evitar un corto circuito de brazo.

Una ventaja de la modulación a tres niveles es que la tensión Vab posee

una frecuencia que es el doble del de dos niveles, lo que lleva a una disminución

del inductor de acoplamiento LC1, para una misma ondulación de corriente, así

como un mejor desempeño en el funcionamiento total del filtro.

Luego la tensión media instantánea en los terminales a y b del inversor

PWM1 está dada por la ecuación siguiente:

( )1

0 0

10

SS D TD T

ABmed FS

V V dt dtT

− ⋅⋅ = ⋅ ⋅ + ⋅

∫ ∫ (3.1)

ABmed FV V D= ⋅ (3.2)

49

3.3.1 Inductor LC1.

Un parámetro importantísimo en el diseño del filtro activo paralelo es el

inductor de acoplamiento. Este inductor tiene como finalidad principal evitar las

diferencias de tensiones que se producirían al tener dos tensiones distintas en

un mismo punto, como lo serían la tensión de entrada y la tensión que se obtiene

del inversor. Por otro lado la corriente necesaria para suprimir las armónicas de

corriente introducidas a la red por la carga no lineal, es inyectada en la red a

través del inductor de acoplamiento LC1, por lo que este inductor debe ser lo

suficientemente grande como para limitar la ondulación de corriente inyectada,

debida a la frecuencia de conmutación, y por otro lado pequeño para permitir

derivadas de corriente abruptas de manera de compensar la corriente de carga.

Luego el análisis que describe la proyección del inductor se explica a

continuación, presentando las ecuaciones principales para determinar la

ganancia del sistema y su ciclo de servicio, como así también las curvas que

describen sus ecuaciones.

Sea la siguiente ecuación, la tensión que cae sobre el inductor LC1, en el

peor caso, cuando Vab = VF.

1LC F REDV V V= − (3.3)

Y sean:

1

1

1PWM

S

FT

= (3.4)

1 1 1St D T∆ = ⋅ (3.5)

11 1

( )LCLC C

di tV L

dt= ⋅ (3.6)

Donde FPWM1 es la frecuencia de conmutación y ∆t1 el intervalo de

conducción de los de interruptores.

Reemplazando (3.6) en (3.3) se obtiene:

50

1

1

LC F RED

C

di V V

dt L

−= (3.7)

En el caso de LC1, es sabido que la rapidez de variación de la corriente en

el inductor depende inversamente de su inductancia. Luego para una mejor

dinámica es deseable tener un pequeño valor de LC1, para que esta variación

acompañe las rápidas variaciones de la corriente armónica. Sin embargo valores

muy pequeños de LC1 darán ondulaciones de corriente, en la frecuencia de

conmutación, muy altas.

Por lo tanto, el cálculo de estos parámetros se debe hacer tomando en

cuenta las observaciones anteriormente dadas, de la ecuación (3.7) se tiene:

( )1 1

1

F REDLC

C

V Vi t

L

−∆ = ⋅ ∆ (3.8)

Donde ∆t1 es definido como D1 ·Ts1, entonces:

( )1 1 1

1

F REDLC S

C

V Vi D T

L

−∆ = ⋅ ⋅ (3.9)

De (3.2) se obtiene:

1

1F

ABmed

VV D

= (3.10)

Despejando la razón cíclica, se tiene:

( )1ABmed

F

VD t

Vω ⋅ = (3.11)

Y sabiendo que VRED=VPsen(ϖt) entonces:

( ) ( )1P

F

VD t sen t

Vω ω⋅ = ⋅ ⋅ (3.12)

Haciendo ahora un arreglo algebraico, se tiene

51

( )11 1

1

1S F REDLC

C F

T V Vi D t

L Vω

⋅∆ = ⋅ − ⋅ ⋅

(3.13)

Parametrizando la ecuación (3.10) se tiene:

( ) ( )1 11 1

1

1LC C PLC

S F F

i L Vi sen t D t

T V Vω ω

∆ ⋅∆ = = − ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅

(3.14)

Finalmente la ecuación que describe el valor del inductor L C1 está dada por:

1

1 1max

0.25 FC

PWM LC

VL

F i⋅=

⋅ ∆ (3.15)

La gráfica que describe la ecuación (3.12) se muestra a continuación

(Fig.3.8), y ésta corresponde a la variación de la razón cíclica en función del

tiempo para diferentes parámetros del índice de modulación MI1=VP/VF.

La Fig.3.9, corresponde a la respuesta en función del tiempo de la

ecuación 3.14, la cual describe como es la variación de la ondulación de la

corriente en el inductor de acoplamiento LC1 para diferentes parámetros del

índice de modulación MI1=VP/VF.

Figura 3.8: Variación de la razón cíclica del FAP.

52

Figura 3.9: Variación de la ondulación en L C1 en función del tiempo con MI1 de parámetro.

Figura 3.10: Modelo de grandes señales para el FAP.

3.3.2 Función de Transferencia ∆ILc1(s) / ∆d1(s).

Para obtener la función de transferencia de pequeña señal se recurrirá al

modelo de grandes señales mostrado en la Fig.3.10, donde se tiene de las

ecuaciones (3.2) (3.3) y (3.6) que:

1 1

1

F RED LC

C

D V V diL dt

⋅ − = (3.16)

53

Perturbando el sistema con una pequeña señal, se tiene:

( ) ( )1 1 1 1

1

ˆ ˆF RED LC LC

C

D d V V d i i

L dt

+ ⋅ − += (3.17)

Arreglando:

1 11 1

1 1

ˆ ˆ( ) LC LCF F RED

C C

di did t V D V VL L dt dt

⋅ ⋅ −+ = + (3.18)

Con lo que resulta la ecuación siguiente:

11

1

ˆ ˆ ( )( ) LCF

C

di td t V

L dt

⋅= (3.19)

La cual en el dominio de Laplace resulta ser:

1 11

ˆ ˆ( ) ( )FLC

C

Vd s s i s

L⋅ = ⋅ (3.20)

Y finalmente la ecuación que describe la función de transferencia del FAP es:

1

11

ˆ ( )ˆ ( )

LC F

C

i s V

s Ld s=

⋅ (3.21)

3.3.3 Ecuaciones de los Controladores del FAP.

El compensador a utilizar en el filtro activo paralelo es una red del tipo

atraso adelanto con un integrador o bien un polo en el origen, tal como se

muestra en la Fig.3.11. Se utiliza este tipo de compensación ya que es un tipo

de compensación que se adecua bastante bien para el control por corriente

media que se realiza en el filtro activo paralelo.

La ecuación que describe al compensador de la Fig.3.11 está dada por:

111

1

1

( )

1

ZC

P

SWK

G Ss S

W

+ = ⋅ +

(3.22)

54

Figura 3.11: Red de compensación utilizada en el FAP.

Haciendo algunos cambios de tal manera de escribir la ecuación de forma

completa, se obtiene las ecuaciones siguientes:

Los criterios que se utilizaron para la ubicación del polo y del cero de este

compensador se presentan a continuación:

• Polo WP1: Este polo se localiza en la mitad de la frecuencia de

conmutación, entonces:

11 2

2PWM

P

FW π= ⋅ ⋅ (3.26)

• Cero WZ1: Existen dos criterios para la ubicación de este cero, primero es

localizarlo alrededor de la frecuencia resonante del circuito de potencia y

[ ]11 1 2

1K

R C C=

⋅ + (3.23)

1

2 2

1ZW

R C=

⋅ (3.24)

1 21

2 1 2

P

C CW

R C C+=

⋅ ⋅ (3.25)

55

el segundo criterio dice que hay que localizarlo a lo menos una década

abajo de la frecuencia de conmutación, o sea:

11 2

10PWM

Z

FW π= ⋅ ⋅ (3.27)

• Ganancia K1: El criterio dice que la ganancia debe ser proporcionalmente

parecido a Wp, por lo que se toma el 75% del valor del polo, luego:

1 10.75 PK W= ⋅ (3.28)

Otro punto importante en el diseño del tipo de compensación a utilizar es el

tipo del control que se está realizando, en este caso el control por corriente

media. Cuando se realiza la adquisición de pequeñas corrientes, la

compensación se desarrolla como en los sistemas discretos. Por lo tanto, de

acuerdo con la teoría de muestreo, el desplazamiento de fase de la función de

transferencia del sistema es siempre de 180º en la mitad de la frecuencia de

muestreo. En el control por corriente media, la frecuencia de muestreo es igual a

la frecuencia de conmutación, luego este efecto es aproximado por la ganancia

de muestreo He(s) como un doble cero en la mitad de la frecuencia de

conmutación, siendo esta nueva función de transferencia que se incorpora a la

del sistema en lazo abierto, la que se encarga de compensar este déficit de fase.

La ecuación de esta función He(s) se expresa a continuación:

2

2( ) 1n n n

s sHe s

Q W W

= + + ⋅

(3.29)

Donde:

1

2n

n PWM

Q

W Fπ

π

= −

= ⋅(3.30)

56

Considerando también los parámetros de la ganancia del amplificador

operacional (Fig.3.12) y la del modulador GM (Fig.3.13), donde VSE es la tensión

pico a pico de las señales triangulares, se obtienen las siguientes ecuaciones:

12

REF

P

R IK

I

⋅= (3.31)

1M

SE

GV

= (3.32)

Figura 3.12: Circuito que describe la ganancia del amplificador operacional del compensador.

Figura 3.13: Circuito que permite obtener la ganancia del modulador.

57

Finalmente se obtiene la ecuación final del controlador PID, con sus

respectivos parámetros.

211

22 21

1

1

( ) 1

1

PFFAP

SE C n n n

Z

sWK V s s

G s KV L s Q W Ws

W

+ ⋅ = ⋅ ⋅ + + ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ +

(3.33)

3.4 RESULTADOS DE DISEÑO

A continuación se presentan resultados de las simulaciones realizadas con

el filtro activo serie estudiado. Las simulaciones que validan el funcionamiento

del filtro activo paralelo fueron hechas con cargas para una potencia de 1 KW,

siendo estas cargas lineales y no lineales, tal como se aprecian en la Fig.3.14.

Las especificaciones del filtro activo paralelo son las siguientes: VREDpeak =

311 V, PS = 1000 W, fRED = 50 Hz, VF = 400 V, fPWM1 = 40 kHz, ∆iLc1max =

0.2· iSpeak.

Figura 3.14: Tipos de cargas simuladas con el FAP.

58

En la siguiente tabla se muestran los valores que se obtuvieron para los

parámetros más importantes del filtro activo paralelo.

Tabla 3.1: Resultados de los valores obtenidos para el FAP.

En cuanto al cálculo de los parámetros del compensador tipo red adelanto

atraso con integrador, que es el encargado del accionamiento del inversor PWM,

se muestran los diagramas de Bode en magnitud y fase que permitieron

encontrarlos, en la Fig.3.15a y Fig.3.15b respectivamente.

Figura 3.15(a): Diagrama de Bode en magnitud del FAP.

0.834[ ]OUTC mF=

1 125.7[ ]PW KHz=

1 1.945 [mH]CL =

[ ]96.8OUTR = Ω

1 25.13[ ]ZW KHz=

1 94250K =

2 795.8[ F]C p=

1 198.9[ F]C p=

1 9.412[K ]R = Ω

59

Figura 3.15(b): Diagrama de Bode en fase del FAP.

La función de transferencia en lazo abierto de GFAP(s) presenta una

frecuencia de cruce por cero de aproximadamente 35 kHz, por lo cual el margen

de fase del sistema es de aproximadamente 30º.

3.5 RESULTADOS DE SIMULACIÓN.

En esta sección se presentan los resultados de las simulaciones que se

realizaron del filtro activo paralelo para los diferentes tipos de cargas antes

mencionadas. Se muestran también simulaciones hechas con el compensador

encargado de mantener constante la tensión que alimenta al circuito de potencia

del FAP, o sea VF. Además se muestra una simulación con un controlador PID

en vez de la red atraso adelanto que se utilizó originalmente.

A continuación se muestran los circuitos que se implementaron en el

programa PSPICE, con los cuales fue posible validar el funcionamiento del filtro

activo paralelo (FAP). Estos son:

60

• Circuito de potencia del sistema (Fig.3.16).

• Circuito de control del FAP (Fig.3.17).

• Circuito de potencia del FAP (Fig.3.18).

• Circuito de control del lazo de tensión del FAP (Fig.3.19).

Figura 3.16: Circuito de potencia del sistema.

Figura 3.17: Circuito de control del FAP.

61

Figura 3.18: Circuito del lazo de tensión del FAP.

Figura 3.19: Circuito de potencia del FAP.

Una vez presentado los circuitos que se implementaron en el programa

Pspice, a continuación se presentan los resultados que se obtuvieron de las

simulaciones realizadas.

62

La Fig.3.20 muestra las corrientes involucradas en el filtro activo paralelo,

la grafica superior muestra los formatos de las ondas de la tensión y la corriente

de entrada, apreciándose que ellas están prácticamente en fase. La gráfica del

centro de la Fig.3.20 muestra el formato de la corriente que está circulando a

través del filtro activo paralelo, la cual es la que se inyecta a la red para eliminar

las armónicas presentes en ella. Y la grafica inferior presenta el formato pulsado

de la corriente de la carga netamente no lineal.

En la Fig.3.21 se pueden apreciar los formatos de las ondas de la tensión

y la corriente de entrada, para los cuatro tipos distintos de cargas que se

simularon, estando la tensión y corriente de red prácticamente en fase.

En la Fig.3.22, se aprecia la operación del compensador de tensión que

se encarga de mantener constante la tensión de alimentación del filtro activo

paralelo. Se aprecia que la ondulación es menor que 10 Volts. La grafica

superior muestra el formato en tamaño original y la inferior representa una

ampliación de la anterior, en una escala mayor de tensión. Se aprecia que la

tensión se mantiene lo más cerca posible de los 400 Volts.

La Fig.3.23 es similar a la Fig.3.20, la diferencia está en el hecho de que

se utilizó un controlador PID, con el fin de demostrar que otros controladores

también pueden realizar bastante bien la función del control por corriente media

para el caso de los filtros activos paralelos.

En la Fig.3.24 se aprecia el contenido armónico de la corriente de red, a

través del análisis de Fourier antes de incorporar el filtro activo paralelo, se

puede observar que la distorsión armónica total es de alrededor del 166%, y las

armónicas impares siguientes a la fundamental poseen una amplitud bastante

significativa.

Finalmente, en la Fig.3.25, en cambio se aprecia que luego de introducir

el filtro activo paralelo, el contenido armónico se redujo sustancialmente,

llevando el THD de un 166% a un 1.75% con lo cual se obtiene un factor de

potencia bastante cercano a la unidad tal como se aprecia en la ecuación (3.34).

63

Figura 3.20: Corrientes involucradas en el FAP.

Figura 3.21: Tensión y corriente de red para las diferentes cargas.

64

Figura 3.22: Tensión VF cuando actúa el compensador de tensión, gráfica en

formato original y amplificada.

Figura 3.23: Simulaciones con controlador PID.

65

Figura 3.24: Contenido armónico antes de incorporar FAP.

Figura 3.25: Contenido armónico después de incorporar FAP.

( )2

cos0.995

1

V IFPTHD

φ φ−= =

+(3.34)

CAPÍTULO 4

FILTRO ACTIVO SERIE (FAS)/ ESTABILIZADOR DE TENSIÓN

4.1 INTRODUCCIÓN

Continuando con lo concerniente en cuanto a los filtros activos de

potencia utilizados en la UPS tipo controlador unificado de calidad de potencia

(UPQC), corresponde en este capítulo desarrollar todo el análisis que se efectúo

en el estudio del filtro activo serie, conocido por sus siglas como FAS, el cual

también actúa como estabilizador de tensión.

En el capítulo anterior se discutió la operación del primer inversor del

sistema UPS-UPQC. A continuación el estudio de este capítulo se basa en el

segundo inversor (ver Fig.4.1), el cual opera como filtro activo serie cuando el

sistema esta funcionando como UPQC u opera como estabilizador de tensión

cuando el sistema esta funcionando como UPS.

Figura 4.1: Diagrama en bloques del sistema UPS tipo UPQC.

67

Este inversor, cuando opera como filtro activo serie tiene la función

principal de cancelar o reducir en su mayor proporción la mayoría de los

disturbios que están presentes en la red de alimentación, siendo estos disturbios

los producidos por transientes, distorsión armónica, aumentos o reducciones de

la amplitud de la señal, notches, ruido eléctrico y flickers o parpadeos de la

señal, entre otros; y en cambio cuando opera como estabilizador de tensión, a

través de la llave de transferencia del sistema, tiene como misión, proporcionar

la continuidad de servicio, durante el intervalo de tiempo de respaldo que posean

las baterías, a la carga.

4.2 CONFIGURACIÓN DEL FILTRO ACTIVO SERIE DE TENSIÓN

La configuración del filtro activo serie, el cual es conectado en serie entre

la alimentación y la carga se muestra en la Fig.4.2. Este es necesario para

proveer una tensión sinusoidal a muchas cargas críticas, consumidores o incluso

para obedecer estándares específicos de regulación y recomendaciones, según

sean las normas.

Figura 4.2: Configuración del FAS.

68

El compensador armónico de tensión o filtro activo serie propuesto y

estudiado se muestra en la Fig.4.3. Este se compone de un inversor tipo puente

completo alimentado en tensión y un filtro LC. Se conecta en serie entre la

fuente de alimentación y la carga, las cuales respectivamente están

representados por una tensión ideal (VRED) y una fuente de corriente o carga

armónica. La fuente de voltaje tiene una tensión fundamental (Vs1) y algunas

armónicas de tensión (Vsh).

El filtro activo serie y su estrategia de control son mostrados en la Fig.4.4.

La idea principal es generar una tensión ∆V (sobre el condensador CC) la cual

debe ser capaz de cancelar el contenido armónico de VRED. El lazo interno de

tensión compara la tensión armónica de carga (VCARGA) con una tensión de

referencia en fase con la red (VREF). Esto produce un error el cual es inyectado

hacia un controlador apropiado de tensión (controlador PID GC3). Su salida es

entonces comparada con una onda triangular, generando las señales de

accionamiento de los interruptores (PWM2).

Figura 4.3. Filtro activo serie propuesto.

69

Figura 4.4: El FAS y su estrategia de control.

Para este caso, no se realizó el estudio del lazo externo de tensión, que

es el encargado de mantener constante la tensión de las baterías (VF). Esto

debido a que no era necesario por el hecho de que ambos filtros activos

finalmente iban a ser interconectados. Quien permite que se mantenga

constante la tensión de las baterías, en el caso de la interacción de ambos filtros,

es el lazo externo de control del filtro activo paralelo, explicado en el capítulo 3.

4.3 ESTUDIO ANALÍTICO

Para el análisis, lo primero que debe tenerse en cuenta, es el tipo de

comando que se efectúa para accionar los interruptores del inversor PWM

alimentado en tensión del FAS. Esto se logra comparando la señal moduladora

senoidal con la portadora triangular, de tal manera de obtener un nivel de tensión

positivo y otro negativo, tal como se aprecia en la Fig.4.5.

70

Figura 4.5: El circuito modulador y las señales de comando de los interruptores,

y la tensión del inversor.

Con éste tipo de control de accionamiento se logra un inversor de dos

niveles de tensión, VF y –VF. Las etapas de operación de un inversor de dos

niveles se muestran en la Fig.4.6.

Figura 4.6: Etapas de operación de un inversor de 2 niveles de tensión.

71

A continuación se describen las etapas de operación del inversor de dos

niveles de tensión del FAS, mostradas en la Fig.4.6: Primera Etapa: Se accionan

simultáneamente S5 y S8 obteniéndose +VF = Vcd a la salida del inversor.

Segunda Etapa: Se accionan simultáneamente S6 y S7 obteniéndose -VF = Vcd a

la salida del inversor. Tercera Etapa: Por conmutación actúan los diodos D5 y D8

obteniéndose a la salida del inversor, +VF = Vcd. Cuarta Etapa: Por conmutación

actúan los diodos D6 y D7 obteniéndose a la salida del inversor, VF = Vcd.

Una vez descrita las etapas de operación, se puede proceder al

ecuacionamiento del FAS para encontrar los valores correctos de sus

parámetros.

La tensión media instantánea en los terminales del inversor PWM2 está

dada por la ecuación siguiente:

2 22 2(1 )

2 0 0

1( ) ( ) ( )

S SD T D T

cdmed F F

S

V t V d t V d tT

⋅ − ⋅

= ⋅ + − ⋅

∫ ∫ (4.1)

4.3.1 Inductor LC2.

Dos parámetros importantísimos en el diseño del filtro activo serie son el

inductor de acoplamiento LC2 y el condensador CF, que alimenta al inversor PWM

del FAS. Una de las condiciones básicas para que el filtro opere es que la

tensión de alimentación del inversor debe ser mayor que la tensión pico de red,

es por esto que el condensador que alimenta al inversor debe ser lo

suficientemente grande para garantizar aquello. Luego de estas consideraciones

se puede pasar al parámetro más importante del FAS: el inductor L C2 (Fig.4.7).

Debido a que la tensión necesaria para compensar las armónicas de la

red depende de la corriente que circula a través del condensador CC y ésta a su

2( ) [2 1]cdmed FV t V D= ⋅ − (4.2)

72

Figura 4.7: Circuito simplificado del Filtro Activo Serie.

vez del inductor de acoplamiento LC2, éste debe ser cuidadosamente proyectado,

porque debe ser lo suficientemente grande como para limitar la ondulación de

corriente inyectada, debida a la frecuencia de conmutación, y por otro lado

pequeño para permitir derivadas de corriente abruptas de manera de cumplir la

compensación.

Luego el ecuacionamiento que describe la proyección del inductor se

explica a continuación, presentándose las ecuaciones principales para

determinar la ganancia del sistema y su ciclo de servicio, como así también las

curvas que describen sus ecuaciones.

Sea la siguiente ecuación, la tensión que cae sobre el inductor LC2, en el

peor caso, cuando Vcd = VF.

*2LC F CV V V= − (4.3)

Y sean:

22

1PWM

S

FT

= (4.4)

2 2 2St D T∆ = ⋅ (4.5)

22 2

( )LCLC C

di tV L

dt= ⋅ (4.6)

73

Donde FPWM2 es la frecuencia de conmutación y ∆t2 el intervalo de

conducción de los dos pares de interruptores del FAS. El principio básico está en

el hecho de generar un voltaje VC*(t)=ÄV, a través del condensador CC, tal que

contenga todas las componentes armónicas requeridas para cancelar el voltaje

VSH armónico presente en la red, luego la ecuación 4.3 se puede escribir como:

*

2 2

2

( )( ) F C

LC

C

V V ti t t

L

− ∆ = ⋅ ∆ (4.7)

Reemplazando:

*

2 2 2

2

( )( ) ( )F C

LC S

C

V V ti t D t T

L

− ∆ = ⋅ ⋅ (4.8)

Haciendo un arreglo algebraico esta ecuación se puede rescribir como:

*

2 2 2

2

( )1

( ) ( )

C

FLC F S

C

V tV

i t V D t TL

−

∆ = ⋅ ⋅ ⋅(4.9)

Para la tensión que cae a través del condensador se puede escribir la ecuación:

[ ]*

2

4 1( ) (2 1)

2 1

NP

Cn

VV t sen n t

nπ =

⋅ = ⋅ ⋅ − ⋅ − ∑ (4.10)

Sin considerar la frecuencia de conmutación, es posible considerar que el

voltaje Vcd(t) tiene el mismo contenido armónico que VSH por lo que se obtiene la

ecuación siguiente:

[ ]2

4 1( ) (2 1)

2 1

NP

cdn

VV t sen n t

nπ =

⋅ = ⋅ ⋅ − ⋅ − ∑ (4.11)

Entonces de (2) y (10), luego de aislar el ciclo de servicio:

74

[ ]22

2

4 1( ) 0.5 1 (2 1)

2 1

Ni

u

MD t sen u t

uπ =

⋅ = ⋅ + ⋅ ⋅ − ⋅ − ∑ (4.12)

Gráficamente esta ecuación se puede apreciar en la Fig.4.8. En ella se

aprecian líneas punteadas que corresponden a diferentes valores del índice de

modulación Mi2 = VP / VF, siendo VP la tensión de pico de la red y VF la tensión

de alimentación del inversor PWM2. Estas son 75, 50 y 25 por ciento del índice

de modulación total, respectivamente .

Considerando ahora nuevamente las formas de onda del accionamiento

de los interruptores del inversor, tal como se aprecian en la Fig.4.9, se puede

realizar el ecuacionamiento que permite determinar la variación de corriente

parametrizada del inductor LC2, o sea lo que permite determinar donde el

inductor alcanza su máximo valor; de las ecuaciones (4.5), (4.10) y (4.12) se

logra determinar (4.13):

Figura 4.8: Ganancia del sistema para diferentes índices de modulación.

75

Figura 4.9 : Accionamiento de los interruptores.

*2 2

2 22

( ) ( )( ) 1 ( )LC C C

LCF S F

i t L V ti t D t

V T V

∆ ⋅∆ = = − ⋅

(4.13)

[ ]

[ ]

2

22

2

2

4 1( ) 0 . 5 1 ( 2 1 )

2 1

1( 2 1)

2 1

Ni

L Cn

N

u

Mi t s e n n t

n

s e n u tu

π =

=

∆ = ⋅ − ⋅ ⋅ − ⋅ ⋅ − ⋅ ⋅ − ⋅ −

∑

∑(4.14)

Gráficamente esta ecuación se representa por la Fig.4.10:

Figura 4.10: Ondulación de corriente en LC2.

76

Finalmente la ecuación que permite proyectar el valor del inductor cuando

se diseña un filtro activo serie es:

2max2

2 2

LC FC

LC PWM

i VL

i F∆ ⋅≥∆ ⋅

(4.15)

4.3.2 Función de Transferencia ∆VC*(S) / ∆d2(S).

Volviendo a considerar las ecuaciones (4.1) y (4.2) como así también la

Fig.4.7, se desprende la ecuación (4.16):

*2LC cdmed CV V V= − (4.16)

De (4.2) y (4.6) se obtiene:

*2 2

2

( ) [2 ( ) 1] ( )LC F C

C

di t V D t V tdt L

⋅ − −= (4.17)

Introduciendo ahora una variación de pequeña señal se tiene:

* *2 2 2 2

2

ˆ ˆˆ( ) [2( ) 1] ( )LC LC F C C

C

d i i V D d V V

dt L

+ ⋅ + − − += (4.18)

Arreglando y considerando (17) se tiene:

*2 2

2

ˆ ˆˆ 2LC F C

C

di V d Vdt L

⋅ ⋅ −= (4.19)

Considerando que:

2ˆ ˆ

1( )

LC Cc

Cc Cc

C

i i

V i tC

∆ = ∆

∆ = ⋅ ∆∫(4.20)

77

Finalmente se obtiene la ecuación que describe la función de transferencia

control-salida del filtro activo serie.

*

222

ˆ ( ) 2ˆ 1( )C F

C C

V s VL C sd s

⋅=+ ⋅ ⋅

(4.21)

4.3.3 Ecuaciones de los Controladores del Filtro.

El controlador a utilizar por el filtro activo serie es del tipo PID tal como se

muestra en la Fig.4.11. Se utiliza este tipo de compensación ya que es una

combinación de los controladores PD y PI, obteniéndose con él las mejores

características de ambos, por un lado el controlador PD puede añadir

amortiguamiento (sin afectar la estabilidad relativa) y por otro lado el controlador

PI puede mejorar la estabilidad relativa y el error en estado estacionario

(pudiendo hacer más lento al sistema).

La ecuación que describe un controlador PID está dada por:

2 323

2

1 1( )

1

Z ZC

P

s sW WK

G ss s

W

+ ⋅ +

= ⋅

+

(4.22)

Figura 4.11: Circuito del controlador PID utilizado en el FAS.

78

Haciendo algunos cambios de tal manera de escribir la ecuación de forma

completa, se obtiene las ecuaciones siguientes:

24 3 5

1

( )K

C R R=

⋅ + (4.23)

2 2

3 3

12Z ZW F

R Cπ= ⋅ = (4.24)

3 34 4

12Z ZW F

R Cπ= ⋅ =

⋅ (4.25)

2 2

3 53

3 5

12P PW F

R RC

R R

π= ⋅ = ⋅ +

(4.26)

Finalmente se obtiene la ecuación final del controlador PID, con sus

respectivos parámetros.

( ) ( )3 3 4 4*

3 54 3 5 3

3 5

1 1( )

( ) 1

SALIDAi

C

s RC s R CVH s

V R Rs C R R s C

R R

+ ⋅ ⋅ + ⋅ ⋅= =

⋅⋅ ⋅ + ⋅ + ⋅ +

(4.27)

4.4 RESULTADOS DE DISEÑO

A continuación se presentan resultados de las simulaciones realizadas con

el filtro activo serie estudiado. Las simulaciones que validan el buen

funcionamiento del filtro activo serie fueron hechas con cargas para una

potencia de 1 KW, siendo estas cargas lineales y no-lineales, tal como se

aprecian en la Fig.4.12.

Las especificaciones del filtro activo serie son las siguientes: VSpeak = 311 V,

PS = 1000 W, VF = 400 V, FPWM2 = 40 kHz, ∆iLmax = 0.2· iSpeak. Considerando que

el filtro activo serie es ideal, o sea sin pérdidas, entonces la corriente pico de

79

Figura 4.12: Tipos de cargas simuladas con el FAS.

entrada está dada por la ecuación (4.28), y a continuación se describe como se

obtuvo el valor de LC2 que se utiliza en las simulaciones realizadas.

2max

2 2 1000 6.43311

0.2 1.286

Sspeak

speak

LC speak

Pi A

V

i i A

⋅ ⋅= = =

∆ = ⋅ =(4.28)

Y finalmente:

2max

2max2 3

2 2

0.5

0.5 4003.89

1.286 40 10

LC

LC FC

LC PWM

i

i VL mH

i F

∆ =

∆ ⋅ ⋅≥ = =∆ ⋅ ⋅ ⋅

(4.29)

Ahora bien, para el cálculo de los parámetros del controlador PID, que es el

encargado del accionamiento del inversor PWM2, se muestran los diagramas de

Bode en magnitud y fase que permitieron encontrarlos, en la Fig.4.13.

La función de transferencia en lazo abierto de GFAS(s) presenta una

frecuencia de cruce por cero de aproximadamente 110 kHz, por lo cual el

margen de fase del sistema es de aproximadamente 42º. Otro dato importante y

80

que hay que tener en cuenta es la ganancia que proporciona el modulador

[Gm(s) = 1/VSE], y que está en función de la tensión de pico-pico de la señal

portadora, o triangular en el controlador PID, y que es de 10 Vpp = VSE. Luego,

entonces con los datos obtenidos a partir de los diagramas de Bode, y

considerando las ecuaciones (4.22) a la (4.27) es posible encontrar los valores

adecuados de los componentes del controlador PID.

Los datos son y los criterios utilizados se dan a continuación:

3

4

3

4

5

119.4

2.387

1

50

333.33

30 FC

C nF

C nF

R k

R k

R

C µ

=

=

= Ω

= Ω

= Ω

=

22

23

22

2 2

235

235

22.5

2.5

PWMZ

PWMZ

PWMP

P

FW

FW

FW

K W

π

π

π

= ⋅ ⋅ = ⋅ ⋅ = ⋅ ⋅

= ⋅

Figura 4.13(a): Diagramas de Bode en magnitud del controlador GC3, la planta

GPLANTA2(s) y el sistema GFAS(s).

81

Figura 4.13(b): Diagramas de Bode en fase del controlador GC3, la planta

GPLANTA2(s) y el sistema GFAS(s).

Los criterios que se utilizaron para determinar el controlador son los

siguientes:

La frecuencia de los ceros WZ2=WZ3 se ubicaron a 3.5 décadas bajo la

frecuencia de conmutación. La frecuencia del polo WP2 se ubicó 2.5 veces bajo

la frecuencia de conmutación y que la ganancia K2 es 2.5 veces proporcional a la

del polo WP2.

4.5 RESULTADOS DE SIMULACIÓN.

En esta sección se presentan los resultados de simulación que se

realizaron del filtro activo serie para los diferentes tipos de cargas ya

mencionadas. A continuación se muestran los circuitos que se implementaron

en el programa PSPICE, con los cuales fue posible validar el buen

funcionamiento del filtro activo serie (FAS). Estos fueron:

82

• Circuito de potencia del sistema (Fig.4.14).

• Circuito de control del FAS (Fig.4.15).

• Circuito de potencia del FAS (Fig.4.16).

Figura 4.14: Circuito de potencia del sistema.

Figura 4.15: Circuito de control del FAS.

83

Figura 4.16: Circuito de potencia del FAS.

En esta sección también se mostrarán los resultados de los análisis de

Fourier que se realizaron con el objeto de mostrar la distorsión armónica total de

tensión que se tiene en la carga antes y después de utilizar el filtro activo serie.

4.6 GRÁFICAS DE LAS FORMAS DE ONDA.

En esta sección se muestran las formas de ondas obtenidas por simulación

de la tensión de entrada, la tensión de salida y la tensión que cae sobre el

condensador CC, o sea ∆V. Se harán comparaciones de las formas de onda de

la tensión de salida cuando no está presente el compensador y cuando si lo está.

La Fig.4.17 representa las señales de tensión de la fuente de alimentación.

Se simuló incorporando fuentes armónicas a la alimentación fundamental (50

Hz); (VSH5, VSH7, y VSH9) con una amplitud de 50 V y 250, 350 y 450 Hz

respectivamente. En la figura se aprecian las señales de la componente

fundamental VS1, las componentes armónicas VSH5, VSH7, y VSH9, y la señal

distorsionada de alimentación de la carga VRED.

84

Figura 4.17: Formas de onda de la tensión de entrada, la resultante

distorsionada VRED, la componente fundamental VS1 y las componentes

armónicas 5ª, 7ª y 9ª.

En la Fig.4.18 se aprecian las formas de onda de la suma de las tensiones

armónicas VSH5, VSH7, y VSH9 y la tensión ∆V en CC capaz de compensar la

anterior y permitir la obtención de una tensión sinusoidal en la carga.

En la Fig.4.19 se aprecian las formas de onda de la tensión en la carga

antes y después de utilizar el filtro activo serie.

La Fig.4.20 muestra el contenido armónico (componentes de Fourier en por

unidad con respecto a la componente fundamental) que tiene la carga no lineal

RC (peor caso). Donde

(a) corresponde a la tensión de entrada distorsionada VRED que posee las

armónicas 5ª, 7ª y 9ª con amplitudes de 50 V cada una, antes de

incorporar el FAS.

85

(b) corresponde a la corriente de red y

(c) muestra el análisis de Fourier para la tensión de la carga después de

introducir el FAS. Las distorsiones armónicas totales son THD = 27.82%,

THD = 183% y THD = 0.97%, respectivamente. Según los estándares de

la IEEE, la distorsión armónica total debe ser menor al 5%, por lo que al

compensar utilizando el filtro activo serie se cumplen los estándares para

la tensión de la carga.

Finalmente en la Fig.4.21 se muestran las formas de onda de la tensión de

red (fundamental) versus la tensión de carga (superpuestas), para las cargas

lineales RL y RC y las no lineales RL y RC, apreciándose que son iguales, con lo

que se cumple y valida todo el estudio teórico realizado anteriormente.

Figura 4.18: Tensiones VSH5 + VSH7 +VSH9 y ∆V.

86

Figura 4.19: Formas de onda para carga resistiva pura.

Figura 4.20(a): Componentes de Fourier de tensión V RED

87

Figura 4.20(b): Componentes de Fourier de corriente de red

Figura 4.20(c): Componentes de Fourier de tensión de carga.

88

Figura 4.21: Tensión de red (fundamental) v/s Tensión de carga.

CAPITULO 5

UPS TIPO UPQC

5.1 INTRODUCCIÓN

A continuación en este capítulo se presentan los resultados que se

obtuvieron luego de interconectar los dos inversores espalda con espalda que se

estudiaron en los capítulos tres y cuatro. Ambos inversores alimentados en

tensión como ya se ha explicado actúan uno como filtro activo paralelo de

corriente y el otro como filtro activo serie de tensión. Al interconectar ambos

filtros, el sistema opera como un controlador unificado de calidad de potencia,

proporcionando una elevada calidad del suministro eléctrico a la carga, ya que

este tipo de controlador a través de ambos filtros mejora por un lado el factor de

potencia para cargas no lineales y además elimina de manera sustancial la

mayoría de los disturbios presentes en la red de alimentación.

Para que el sistema opere como una fuente ininterrumpible de energía, se

debe intercalar una llave de transferencia que permita al filtro activo serie actuar

como un estabilizador de tensión, proporcionando la continuidad necesaria a la

carga para no detener procesos críticos.

El estudio de carga de las batería esta siendo realizado como un tema

independiente en otra tesis. Aún así, se puede señalar que éste, está basado en

los convertidores CC-CC, por un lado, el filtro activo paralelo es el encargado de

mantener una tensión constante en los terminales que alimentan ambos

inversores. De esta manera, a través de un convertidor reductor se procede a

cargar las baterías y en el caso en que haya una interrupción del suministro, a

través de un convertidor elevador se procede a alimentar el estabilizador de

tensión que es el encargado de alimentar la carga, operando así el sistema como

una UPS. En la Fig.5.1 se muestra el diagrama en bloque del sistema.

90

Figura 5.1: Diagrama en bloques del sistema UPS.

En esta figura se aprecian ambos inversores configurados espalda con

espalda, el de la izquierda es el que opera como filtro activo serie y el de la

derecha el que trabaja como estabilizador o filtro activo serie según como esté

operando el sistema, ya sea como UPS o como UPQC, respectivamente.

También se puede observar el sistema de carga de las baterías, el cual

está basado en un convertidor CC-CC bidireccional en corriente.

Y el otro bloque importante del la figura es la llave de transferencia, la cual

permite al sistema operar como UPS.

5.2 INTERCONECCIÓN DE LOS INVERSORES

Después de los análisis descritos en los dos capítulos anteriores, restaba

comprobar el funcionamiento de los dos inversores de forma acoplada.

91

Este hecho no estuvo exento de dificultades, las cuales mayormente

fueron cuatro y se nombran a continuación:

5.2.1. Transformador de Aislamiento

Un hecho importante era el efecto que se producía sobre las referencias.

Por un lado se tenía las referencias del sistema completo y por otro las

referencias de los circuitos de control. Al acoplar los inversores, se producían

problemas debido a la interacción de las referencias, por lo que se debía de

alguna manera desacoplar los circuitos de control con el resto de los circuitos, y

esto logró incorporando un transformador para proporcionar aislación galvánica,

tal como se explica en el capítulo dos.

Por estar el inversor que actúa como filtro activo paralelo, operando con

una modulación de tres niveles de tensión, se decidió que este transformador

debía estar conectado a la salida del FAP. El hecho de operar en tres niveles de

tensión simplificó significativamente el diseño del transformador, el cual se

complicó enormemente cuando se trató de conectarlo a la salida del filtro activo

serie. En la Fig.5.2 se aprecia este transformador unitario.

5.2.2. Cambios en los Circuitos de Control

Otro de los grandes problemas que surgieron en el diseño de la UPS tipo

UPQC, fue la interacción de los sistemas de potencia de los filtros activos de

potencia, problema el cual se solucionó realizando importantes cambios en los

circuitos de control, cambios tales como la frecuencia de conmutación del filtro

activo paralelo, de 40 a 50 KHz, y cambios en la compensación que se efectuaba

en los circuitos de control. Estos problemas se pueden explicar a partir de la

Fig.5.3, donde se aprecian las inductancias que conforman ambos filtros activos,

LC1 y LC2, la inductancia parásita de línea LR y el condensador CC del filtro activo

serie. El gran problema era el efecto que se producía cuando se

92

Figura 5.2: Ubicación del transformador desacoplador de referencias.

Figura 5.3: Sistema de potencia de la UPS-UPQC.

93

conectaban los sistemas de potencia de ambos filtros. El sistema de potencia de

la UPS-UPQC, está compuesto por cuatro elementos pasivos, LC1, LC2, LR y CC;

los cuales producían problemas al interactuar en conjunto ambos filtros activos.

Los diseños de ambos filtros activos de potencia se desarrollaron de forma

independiente, por lo que, al conectar a ambos para generar el conjunto UPQC,

se desestabilizaba el sistema. Estos problemas se debían a la interacción de los

circuitos de control de ambos filtros activos de potencia. Se detectó que el

causante del problema general era el control del filtro activo paralelo, el cual

arrastraba a errores al control del filtro activo serie, produciéndose un

encadenamiento de errores que no permitían al sistema operar en forma

adecuada. Puntualmente, el problema del filtro activo paralelo se debía al

estado de resonancia en que entraba el sistema de potencia de la UPQC, al

estar ambos filtros activos de potencia diseñados para operar a la misma

frecuencia de conmutación y al actuar de los cuatro elementos pasivos antes

mencionados.

Es por esto que se optó por cambiar la frecuencia del filtro activo paralelo,

evitando que las frecuencias de ambos filtros fuesen similares. Se cambió esta

frecuencia de 40 a 50 Khz.

Una vez realizado este cambio se procedió también a realizar un nuevo

ajuste de los circuitos de control de ambos filtros, con el propósito que estos

fuesen lo más robusto posible.

En las Fig.5.4 y Fig.5.5 se aprecian los diagramas de bode en fase del

filtro activo paralelo. La Fig.5.5 es un acercamiento de la Fig.5.4, una vez

realizado el cambio de frecuencia. Se puede observar que el control de este

filtro es bastante complicado por el hecho de tener una zona de compensación

muy estrecha. Se aprecia que el área de resonancia se encuentra bastante

cercana a la zona de compensación, produciendo esto la dificultad que se al

tratar de interconectar ambos sistemas de potencia de los filtros activos.

94

Figura 5.4: Diagrama de bode en fase del FAP.

Figura 5.5: Acercamiento de la figura anterior.

95

Figura 5.6: Diagrama de bode en fase del FAS.

Para el caso del filtro activo serie, una vez realizado los cambios en el

control del filtro activo paralelo, se procedió a obtener un control que fuese aún

más robusto que cuando se proyectó este filtro individualmente, de tal manera

que el control del filtro activo paralelo tuviese la menor incidencia posible en la

estrategia de control del filtro activo serie. En la Fig.5.6 se aprecia el diagrama

de bode en fase de la estrategia de control de este filtro. Comparándola con la

Fig.4.13, que correspondía al control cuando se utiliza el filtro activo serie

independientemente, se puede observar que ahora la zona de inestabilidad es

bastante menor, y el área o zona de compensación ahora resulta ser bastante

más amplia.

Lógicamente una vez realizados estos cambios en los circuitos de control,

los parámetros de éstos cambiaron.

96

Figura 5.7: Circuito de control del FAS.

5.2.3. Problemas con la Tensión de Referencia del FAS.

En el caso del filtro activo serie un detalle importante es la referencia que

alimenta al circuito de control del filtro. En general, cuando se proyectan

circuitos con control análogo, se considera la referencia como una muestra de la

tensión de entrada. Para este estudio, cuando ocurre una interrupción del

suministro de energía el filtro activo serie comienza a operar como estabilizador

de tensión, luego, como no existe la muestra de la tensión de entrada, se

produce un grave conflicto en cuanto al control del estabilizador. Por un lado es

de suma importancia comparar la señal de muestreo que se toma de la tensión

en la carga (VSENSE) con una señal de referencia (VREF). Al no existir VREF, el

control simplemente actúa erróneamente. En la Fig.5.7, se aprecia la referencia

del control del filtro activo serie. La solución a este problema está basada en la

forma de obtener una tensión de referencia externa que permita mantener el

funcionamiento del control del estabilizador de tensión. Esto se puede lograr con

un circuito oscilador que esté alimentado por las baterías.

97

Figura 5.8: Diagrama en bloques del PLL.

El problema ahora se centra en el hecho de que esta señal debe estar

totalmente en fase con la señal de muestreo y para esto fue necesario

implementar un circuito de enganche de fase, conocido por sus siglas en ingles

de PLL. A continuación se presenta el desarrollo del PLL implementado para

este caso. En la Fig.5.8 se muestra el diagrama en bloques del lazo de

enganche de fase, el cual está compuesto por un comparador de fase, un filtro

pasa bandas y un oscilador controlado por tensión. El circuito del detector de

fase se muestra en la Fig.5.9.

Figura 5.9: Circuito del detector de fase.

98

Figura 5.10: Etapas del detector de fase.

El circuito del detector de fase consta de dos amplificadores

operacionales, uno operando como inversor y el otro como no inversor, dos

etapas derivativas, dos etapas rectificadoras un amplificador comparador y un

filtro pasa bajos.

Las etapas de operación del detector de fase para dos señales de igual

fase se muestran en la Fig.5.10. La idea básica del detector de fase es

comparar dos señales. Si la señal de referencia tiene una fase mayor que la

señal de muestra, entonces la salida del detector de fase arroja una tensión que

posee un valor medio mayor que cero y fijada en la tensión positiva de los diodos

zener del circuito (+VZENER). Si en cambio, la señal de referencia posee una fase

menor que la señal de muestra entonces la salida tiene un valor medio menor

que cero y fijado en –VZENER. Ahora bien, si ambas señales poseen idénticas

fases, como en este caso, la salida tendrá su valor medio fijado en cero.

Para el oscilador controlado por tensión se implemento en el programa

Pspice un modelo matemático que estableciera una ganancia lineal de las

frecuencias para tensiones dadas, tal como se aprecia en la Fig.5.11.

99

La Fig.5.12 muestra los resultados de la simulación del VCO

implementado. En ella se aprecia que a medida que aumenta la tensión,

aumenta la frecuencia a la cual esta operando el circuito.

Figura 5.11: Diagrama del modelo de VCO implementado.

Figura 5.12: Simulación del VCO.

100

Las Fig.5.13 y Fig.5.14, muestran el circuito completo del lazo de

enganche de fase y los resultados de la simulación de éste.

Figura 5.13: Circuito completo del PLL.

Figura 5.14: Resultado de simulación del PLL.

101

En la Fig.5.14 se aprecia el resultado de enganchar dos señales que

están desfasadas en 90º. La gráfica superior de la Fig.5.14 muestra ambas

señales, donde se aprecia claramente que al comienzo éstas están totalmente

desfasadas y que alrededor de los 180ms ya se han enganchado y tienen

idéntica fase. La gráfica inferior muestra como se desenvuelve el detector de

fase a través del tiempo, al comienzo, la salida es mayor que cero, pero al

transcurrir el tiempo esta comienza a fijar su valor medio en torno a la tensión

cero, con lo que el VCO oscila a la misma frecuencia que posee la señal de

referencia.

5.2.4. Ubicación de la Llave de Transferencia.

El caso de la llave de transferencia también fue considerado como un

problema al diseñar la UPS, más que nada, por el hecho de encontrar una

adecuada ubicación de la misma. El problema se dio en el hecho de que hubo

que utilizar una llave auxiliar de transferencia. La llave de transferencia que

permite al sistema operar como UPS se puede apreciar en la Fig.5.15.

Figura 5.15: Circuito de potencia del sistema con Llave de transferencia.

102

Figura 5.16: Ubicación de la llave de transferencia auxiliar.

La Fig.5.16 muestra la ubicación de la llave de transferencia por la que se

optó finalmente. Las simulaciones que describen el funcionamiento de la llave

serán mostradas más adelante.

5.3 CIRCUITO DETECTOR DE PRESENCIA DE RED.

El circuito que se requiere para accionar de manera correcta la llave de

transferencia es el circuito detector de presencia de red. Este circuito se aprecia

en la Fig.5.17.

La idea básica de este circuito es detectar cuándo ocurre una interrupción

de manera accionar la llave de transferencia en caso de que no haya suministro

y en caso de que si lo haya.

La Fig.5.18 muestra el resultado que se obtuvo al simular el circuito

detector de presencia de red. En ella se aprecian la señal del suministro VRED, la

cual sufre una interrupción. También se puede observar la señal que se utiliza

para comandar la llave de transferencia y la llave auxiliar. Se puede apreciar

que esta señal es el pulso necesario para activar o desactivar los interruptores

de la llave de transferencia.

103

Figura 5.17: Circuito detector de presencia de red.

Figura 5.18: Simulación del circuito detector de presencia de red.

104

5.4 RESULTADOS DE SIMULACIÓN

A continuación se muestran los resultados que validan el funcionamiento

de la UPS tipo UPQC. Para ello se emuló una alimentación con formato

sinusoidal achatado, tal como se muestra en la Fig.5.19, además, para esto se

consideró una perturbación del tipo SWELL, que corresponde a un aumento en

la amplitud de la tensión de alimentación, como se aprecia en la Fig.5.20. Se

presenta este tipo de disturbio en la alimentación debido a que es uno de los

problemas típicos que están presentes en la red. Cabe señalar que este sistema

es capaz también de suprimir otros problemas presentes en la alimentación

como los son, transientes, sags, que son disminuciones de la amplitud de la

alimentación, armónicos de tensión, notches, ruido eléctrico, flickers e incluso

variaciones de la frecuencia de la alimentación.

Figura 5.19: Formato de onda de la tensión de alimentación.

105

Figura 5.20: Emulación de un disturbio tipo swell en la tensión de alimentación.

A continuación se describen los resultados de simulación que se

obtuvieron.

La Fig.5.21 representa la simulación que corresponde a los problemas

que se tuvo cuando se simuló sin la llave auxiliar de transferencia. Estos

problemas se debieron básicamente al hecho de las sobre tensiones que se

producían al tener sólo una llave de transferencia como se aprecia en la

Fig.5.15. Cuando actuaba la llave de transferencia debido a interrupciones del

suministro o bien debido a las salidas de los rangos de tolerancia especificados

para la alimentación, se produce una apertura en la línea de alimentación y un

cortocircuito en el filtro activo paralelo, el cual sin la llave auxiliar quedaba a una

tensión dada en paralelo con la tensión que suministra el filtro activo serie,

produciéndose las sobre tensiones y por ende las sobre corriente que se

aprecian en la figura. Es por esto que la ubicación de la llave auxiliar de

transferencia se realiza exactamente a la salida del transformador que acopla LC1

con el circuito de potencia del sistema.

106

La Fig.5.22 muestra la simulación del sistema operando como UPQC, sin

el accionar de la llave de transferencia. En esta figura se aprecia que la tensión

de la carga tiene un formato más sinusoidal que el que posee la alimentación

achatada.

En la Fig.5.23 se aprecia la simulación del sistema operando como UPS, a

través de la llave de transferencia. En la gráfica superior se puede apreciar el

funcionamiento del inversor que actúa como filtro activo serie ahora actuando

como estabilizador de tensión, proporcionando alimentación a la carga en el

intervalo de tiempo que dura la interrupción.

La Fig.5.24 muestra el formato que poseen la corriente de red y la tensión

de carga. Se aprecia que están en fase con lo cual el factor de potencia es

prácticamente unitario.

En la Fig.5.25 se puede observar cómo se comporta el sistema cuando en

la alimentación se halla presente un disturbio tipo SWELL, o un aumento de la

amplitud de la señal de alimentación. Se puede apreciar que la tensión de la

carga no sufre variaciones en los períodos en los cuales está presente el

disturbio.

Finalmente en la Fig.5.26 se aprecia al sistema operando con el lazo de

tensión, el cual es el encargado de mantener constante la tensión de

alimentación de los filtros a través del condensador CF. En la gráfica superior se

aprecia que la tensión sobre este condensador se mantiene prácticamente

constante en los 400V, lo cual asegura el buen funcionamiento de los filtros y

además proporciona la tensión necesaria para desarrollar el cargamento de las

baterías.

107

Figura 5.21: Problemas debido a la falta de llave auxiliar de transferencia.

Figura 5.22: Sistema operando como UPQC.

108

Figura 5.23: Sistema operando como UPS-UPQC.

Figura 5.24: Corriente de red y tensión de carga del sistema.

109

Figura 5.25: Resultados del sistema para disturbio tipo swell.

Figura 5.26: UPS-UPQC operando con lazo de tensión.

CAPÍTULO 6

PROYECTO FÍSICO

6.1 INTRODUCCIÓN

En este capítulo se presentan el proyecto físico del sistema

ininterrumpible de energía, se mostrarán los análisis que permitieron encontrar

los núcleos para las tres bobinas principales del sistema, y también el cálculo del

disipador que se utilizará para los dispositivos semiconductores.

6.2 DATOS NECESARIOS PARA EL PROYECTO F ÍSICO

A continuación en la tabla 6.1 se muestran los valores de las corrientes

que circulan a través de las bobinas de acoplamientos de ambos inversores, la

bobina LR que es la encargada de limitar las variaciones de la corriente de carga,

y la corrientes y tensiones que deben soportar los dispositivos semiconductores,

IGBT y diodos, del circuito de potencia de los filtros activos.

Tabla 6.1: Corrientes y tensiones a soportar por los dispositivos.

LC1 LC2 LR IGBT DIODOSCORRIENTE MAXIMA 20A 18A 10A 25A 25ACORRIENTE EFECTIVA 8A 7,5A 6,4A 15A 15ATENSIÓN A SOPORTAR 600V 600V

6.3 BOBINAS DEL SISTEMA.

En la siguiente sección se realiza el análisis que permite determinar el tipo

de núcleos, el número de espiras, el tipo de conductor y la longitud del entre hierro

111

Figura 6.1: Circuito de potencia del sistema.

de las bobinas que posee el sistema, LC1 del Filtro activo paralelo, LC2 del filtro

activo serie y LR, las cuales se aprecian en la Fig.6.1.

A continuación se proceder a explicar el procedimiento para la obtención de

estos parámetros de las bobinas.

6.3.1 Tipos de Núcleos a Utilizar

Para la determinación del tipo de núcleo se utilizará la ecuación:

upmáxmáx

4efpk

eWP kkBJ

10IILAAA

⋅⋅⋅⋅⋅⋅

=⋅= [cm4] (6.1)

Donde:

AP : Producto-área del núcleo

AW : Área de la ventana del núcleo

Ae : Área de la pierna central del núcleo

L : Inductancia de la bobina

Ipk : Corriente máxima a través de la bobina

Ief : Corriente efectiva a través de la bobina

112

Jmáx : máxima densidad de corriente

Bmáx : Densidad de flujo máxima del material

Kp : Factor de embobinado

Ku : Factor de utilización de la ventana

A partir de las tablas que permiten encontrar el tipo de núcleo se

seleccionan Jmáx igual a 350[A/cm2], kp=1,0 y ku=0,7 y como el material utilizado

para el núcleo será la ferrita, se asume B máx igual a 0,3 [Tesla].

6.3.2 Cálculo del Número de Espiras

El número de espiras viene dado por el entero mayor al obtenido a partir

de (6.2).

4

emáx

pk 10AB

ILN ⋅

⋅⋅

≥ espiras (6.2)

6.3.3 Longitud del Entrehierro

Para la obtención de la longitud del entre hierro en las bobinas se utilizará

la siguiente ecuación:

2e2

rog 10

L

AN −⋅⋅⋅µ⋅µ

=λ [cm] (6.3)

Donde ì0=4· π· 10-7 y ìr=1.

6.3.4 Sección del Conductor.

La sección del conductor viene dada por:

máx

efcond J

IA = [cm2] (6.4)

113

Respecto de la sección transversal del conductor se deben cumplir las

siguientes condiciones:

• Para reducir el efecto “skin”, el cual se hace notorio a altas frecuencias de

operación, el conductor es sustituido por un conjunto de conductores de

menor sección transversal. El área máxima que debe tener el conductor, es

función de la frecuencia de conmutación (fs), y viene dada por la siguiente

relación:

π⋅=s

2

máx f61,6

A [cm2] (6.5)

Entonces, debe cumplirse que máxcond AA ≤ , de lo contrario el conductor es

reemplazado por “n” conductores de sección Amáx, donde:

máx

cond

A

An = (6.6)

• La segunda condición corresponde a la “posibilidad de embobinado”, es

decir, el área con aislamiento del conductor debe tener un valor tal que

permita al embobinado completo estar contenido en el área de la ventana

del núcleo, luego, debe cumplirse la siguiente desigualdad:

Wpucond AkkAN ⋅⋅≤⋅ (6.7)

Donde el área total de un conductor formado por “n” hilos está dada por:

2Hcond d

4nA ⋅π⋅= (6.8)

Donde dH corresponde al diámetro con aislamiento del hilo. Sino se

satisface la segunda condición, debe utilizarse un núcleo de mayores

dimensiones.

114

6.3.5 Resultados Obtenidos para las Diferentes Bobinas del Sistema.

En la tabla 6.2 se pueden apreciar los resultados que se obtuvieron para

las diferentes bobinas involucradas en la UPS.

Tabla 6.2: Resultados del diseño de la bobinas

LC1 LC2 LRCORRIENTE MAXIMA 20A 18A 10ACORRIENTE EFECTIVA 8A 7,5A 6,4AAREA PRODUCTO (Ae*Aw) 118,104 cm^4 88,578 cm^4 0,54262 cm^4TIPO NUCLEO EE-65/39 EE-65/39 EE-42810

Nº NUCLEOS PARALELO 4 3 1Nº ESPIRAS 46 63 27LONGITUD ENTREHIERRO 0.385 cm 0.472 cm 0.085 cm

TIPO CONDUCTOR (+AREA) AWG-22 (0,00275 cm^2) AWG-22 (0,00275 cm^2) AWG-22 (0,00275 cm^2)Nº CONDUCTORES ENTRELAZADOS 9 9 4

En el caso de las bobinas de acoplamiento hubo problemas para cumplir

con la segunda condición referente a la sección de embobinado. Finalmente se

optó por acoplar juntos cuatro y tres núcleos para L C1 y LC2 respectivamente.

6.4 DISIPADOR

Para el cálculo de los disipadores a utilizar, debe tenerse presente qué tipo

de semiconductor se utilizará. Para este estudio se consideró las corrientes y

tensiones que están involucradas en la UPS, interruptores IGBT y diodos ultra

rápidos, cuya configuración se aprecia en la Fig.6.2.

Figura 6.2: Circuito de potencia de los filtros con semiconductores.

115

Para la selección del disipador debe ser especificada su resistencia

térmica, la que viene dada por la ecuación (6.9), la cual gráficamente puede

observarse en el circuito térmico del disipador, Fig.6.3.

)RR(RR CDTHJCTHJATHDATH +−= [ºC/W] (6.9)

Donde:

RTH DA : Resistencia térmica disipador-ambiente

RTH JA : Resistencia térmica juntura-ambiente del transistor

RTH JC : Resistencia térmica juntura-cápsula del transistor (dado por

el fabricante)

RTH CD : Resistencia térmica cápsula-disipador del transistor

La resistencia térmica juntura-ambiente puede determinarse a partir de:

Tot

aiJATH P

TTR

−= [ºC/W] (6.10)

Donde:

Tj : Temperatura de la juntura del transistor

Ta : Temperatura ambiente

PTot : Pérdidas totales de potencia de los semiconductores

Figura 6.3: Circuito térmico del disipador.

116

Las pérdidas totales de potencia PTot en cada interruptor IGBT están

determinadas por:

SWOFFONTot PPPP ++= (6.11)

Donde:

PON : pérdidas de conducción

POFF: pérdidas cuando está bloqueado

PSW : pérdidas de conmutación

Las pérdidas de conmutación están determinadas por:

2_

1 1

8 3 2 8CEN CEO

CONM IGBT CM CEO CMCN

V VM MP I V I

Iπ π − = + ⋅ ⋅ + + ⋅ ⋅ ⋅ ⋅

(6.12)

Las pérdidas de conducción están expresadas como:

22

_

2 0.38 0.80.28 0.015 0.05

8 3CC CM CM CM CM

ON IGBT rn CC rrn CM rrnCN CN CN CN

V I I I IP t Fs V Q I t Fs

I I I Iπ π

= ⋅ ⋅ ⋅ + ⋅ + ⋅ + ⋅ ⋅ + ⋅ + ⋅ ⋅ ⋅ (6.13)

Las pérdidas por bloqueo se describen por:

_

1 1

3 24CM

OFF IGBT CC CM FNCN

IP V I t Fs

Iπ

= ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ + ⋅ ⋅ (6.14)

Análogamente el análisis que permite determinar las pérdidas totales que

se producen en los diodos se presenta a continuación:

Las pérdidas de conducción de los diodos están expresadas como:

2_

1 1

8 3 2 8CEN CEO

COND DIODO CM CEO CMCN

V VM MP I V I

Iπ π − = − ⋅ ⋅ + − ⋅ ⋅ ⋅ ⋅

(6.15)

Las pérdidas de conmutación de los diodos está expresadas como:

2

_

0.38 0.80.28 0.015 0.05

3CC CM CM CM

CONM DIODO rrn CM rrnCN CN CN

V I I IP Q I t Fs

I I Iπ π

= + ⋅ + ⋅ ⋅ + ⋅ + ⋅ ⋅ ⋅

(6.16)

117

Considerando también las siguientes ecuaciones, se logra finalmente

obtener el valor de la resistencia térmica disipador-ambiente, lo cual permite a

través de tablas obtener un disipador adecuado para los semiconductores.

La temperatura a disipar por los diodos está dada por:

( )_ _ _ _ _D DIODO J DIODO T DIODO THJC DIODO THCD DIODOT T P R R= − ⋅ + (6.17)

La temperatura a disipar por los IGBT está expresada como:

( )_ _ _ _ _D IGBT J IGBT T IGBT THJC IGBT THCD IGBTT T P R R= − ⋅ + (6.18)

Se considera para el análisis sólo la menor de las temperaturas a disipar:

( )_ _min ,D D IGBT D DIODOT T T= (6.19)

Tabla 6.3: Resultados de las pérdidas totales de los semiconductores

IGBTS DIODOSPÉRDIDAS POR CONDUCCIÓN 3,1 W 0,749 WPÉRDIDAS POR CONMUTACIÓN 1,969 W 0,365 WPÉRDIDAS TOTALES 5,069 W 1,114 W

Luego, la resistencia térmica está dada en función de las pérdidas totales

de los IGBT y diodos, las cuales se muestran en la tabla 6.3. Considerando n

como el número de dispositivos, en este caso 8, ya que se utilizarán dos

disipadores, uno para cada filtro activo, entonces la ecuación está dada por:

( )_ _

D ATHDA

T IGBT T DIODO

T TR

P P n

−=+ ⋅ (6.20)

Para las ecuaciones (6.12) a (6.20), los parámetros involucrados se

nombran a continuación:

Fs : frecuencia de conmutación

VCEO: tensión colector emisor límite

VCEN: tensión colector emisor nominal

ICN : corriente colector nominal

ICM : corriente colector máxima

118

ICN : corriente colector nominal

M : índice de modulación

VCC : tensión de alimentación del inversor

tRN : tiempo de subida nominal

tRRN : tiempo de recuperación inverso nominal

QRRN: carga de recuperación inversa nominal

Siendo la mayoría de estos datos entregados por el fabricante de los

semiconductores utilizados y considerando los demás como datos de diseño se

logra obtener el valor de la resistencia térmica de los dos disipadores a utilizar, la

cual está dada en la ecuación siguiente:

ºC2.01THDAR W = (6.21)

6.5 ELEMENTOS DEL CIRCUITO A CONSTRUIR

Los componentes del circuito son listados en las siguientes tablas que se

muestran a continuación. En ellas se muestra el valor proyectado, el valor

comercial y la cantidad de componentes utilizados.

Tabla 6.4: Dispositivos del sistema de potencia.

Dispositivos usados en la UPS

ORIGINALPROYECTADO

DISPONIBLE EN MERCADO

Cantidadusada

Mosfet ideal IR2125 3Sensor HALL ideal Transductor Corriente 1

Trafo L1=400mh=L2 L1=400mh=L2 1Resistencia sensor ideal 100K 1W 1Resistencia sensor ideal 10K 1W 1

Condensador 30uf Electrolitico 33uf 400(V) 1

Lc1,inductancia de acoplamiento FAP L=2mH, 22AWG

Lc2,inductancia de acoplamiento FAS L=2.5mH, 22AWG

LR,inductancia ParasitaL=300uH, 22AWG

Nucleo Tipo EE-42810

CIRCUITO DE POTENCIA DEL SISTEMA

300uBobina 1

2mBobina 4

2.5mBobina 4

119

Tabla 6.5: Dispositivos del circuito de potencia de los filtros.

Dispositivos usados ORIGINAL DISPONIBLE EN CantidadIGBT ideal IRGB4BC20U 8Diodos ideal MUR1560 8Zeners ideal D1N4744 8

Resistencia 50 (ohms) 50 (ohms) 1/4 W 8Condensador 2,2mf 400(V) Electrolitico 2,2mf 400(V) 1

CIRCUITO DE POTENCIA DE LOS FILTROS ACTIVOS

Tabla 6.6: Dispositivos del circuito de control de los filtros.

Dispositivos usados en la UPS

ORIGINALPROYECTADO

DISPONIBLE EN MERCADO

Cantidadusada

A.O LM 311 CI LM 311 4A.O LM 741 CI LM 741 1A.O LM 411 CI LM 411 1

Resistencia FAP R1 5 (Kohms) 5.1 (Kohms) 1/4 W 1Resistencia FAP R2 50 (Kohms) 51 (Kohms) 1/4 W 1Resistencia FAS R1 800 (ohms) 820 (ohms) 1/4 W 1Resistencia FAS R2 15 (Kohms) 15 (Kohms) 1/4 W 1Resistencia Lazo R1 50 (ohms) 51 (ohms) 1/4 W 1

Resistencia RPO FAP 10 (Kohms) 10 (Kohms) 1/4 W 3Resistencia RPO FAS 1 (Kohms) 1 (Kohms) 1/4 W 2

Resistencia Lazo 100K 100K 1W 1Resistencia Lazo R2 10K 10K 1W 1Condensador FAP C1 127,3 (pF) 120 (pF) 25V 1Condensador FAP C2 127,3 (nF) 120 (nF) 25V 1Condensador FAS C1 497,4 (nF) 470 (nF) 25V 1Condensador FAS C2 19,89 (nF) 18 (nF) 25V 1Condensador Lazo C1 500 (uF) 470 (uF) 25V 1Condensador Lazo C2 800 (uF) 820 (uF) 25V 1

Triangulares FAS Vpp=10V Fc=40Khz Vpp=10V Fc=40Khz 2Triangulares FAP Vpp=10V Fc=50Khz Vpp=10V Fc=50Khz 1

Drivers IGBT Drivers Drivers 8

CIRCUITO DE CONTROL DE LOS FILTROS ACTIVOS

Tabla 6.7: Dispositivos del circuito detector de presencia de red.

Dispositivos usados en la UPS

ORIGINALPROYECTADO

DISPONIBLE EN MERCADO

Cantidadusada

Resistencia 10 (Kohms) 10 (Kohms) 1/4 W 6Resistencia 1,2 (Kohms) 1,2 (Kohms) 1/4 W 4Resistencia 39 (Kohms) 39 (Kohms) 1/4 W 2Resistencia 270 (Kohms) 270 (Kohms) 1/4 W 2Resistencia 1 (Kohms) 1 (Kohms) 1/4 W 1

Condensador 68 (nF) 68 (nF) 25V 1Condensador 220 (nF) 220 (nF) 25V 1Condensador 0,1 (nF) 0,1 (nF) 25V 1

Diodos 1N4148 1N4148 6BJT BC550B BC550B 4A.O CI LM324 CI LM324 2

CIRCUITO DETECTOR DE PRESENCIA DE RED

CAPÍTULO 7

ANÁLISIS COSTO-BENEFICIO

7.1 INTRODUCCIÓN

El estudio costo beneficio de este proyecto se basa en la siguiente

hipótesis. Existe un cliente dueño de una mini empresa dedicada al rubro del

diseño gráfico. Este cliente posee su empresa en un lugar el cual está afecto a

una contaminación eléctrica significativa. Esto implica que sus oficinas están

ubicadas en una zona en la cual existe una alta tasa de fallas del suministro

eléctrico, en la zona también existen talleres que perjudican bastante la calidad

del suministro de energía, tales como talleres de soldadura u otros.

Este cliente acaba de adquirir tres nuevos computadores IMAC de

Macintosh, evaluados cada uno en un millón de pesos, por lo que necesita darle

rigurosamente protección a su inversión.

Aparte de los tres nuevos equipos adquiridos por este cliente, él también

posee diferentes equipos de oficina tales como impresoras, otros computadores,

faxes, plotters, y otros artículos especializados para el diseño gráfico, aparte de

la iluminación por tubos fluorescentes, con lo que él ya posee un factor de

potencia que está bordeando el límite en el cual se comienza a multar según ley,

o sea ya posee un factor de potencia cercano a 0.93. Al incorporar estos tres

nuevos equipos que en total consumen 1 KW de energía su factor de potencia se

verá reducido a un 0.83.

Luego por razones de producción, protección y para evitar multas, este

cliente decide evaluar entre dos alternativas de sistemas ininterrumpibles de

energía, una de las alternativas es la UPS tipo UPQC estudiada en este proyecto

y la otra alternativa es la UPS Pulsar Extreme Online de la compañía MGE.

121

Se presenta entonces a continuación el análisis costo beneficio que le

permitirá al cliente poder discernir cual de las dos alternativas le ofrece mayores

beneficios en el plazo que él ha estipulado como vida útil de sus equipos.

7.2 ALGUNAS UPS EXISTENTES EN EL MERCADO CHILENO.

A continuación se presenta la tabla 7.1 en la cual se muestran algunas

características de las UPS que se encuentran disponibles en el mercado

Chileno. Específicamente en la distribuidora RS-Chile.

Tabla 7.1: Tabla comparativa de UPS en el mercado Chileno.

Nombre UPS Fabricante Potencia Autonomia Tamaño Peso Precio

17.3*44.3*46.5 cm 28Kg $ 1428000,Pulsar Extreme Online MGE 1.5KVA/1KW 11min

8.9*54.6*43.2 cm 32Kg $ 1138200,

Pulsar Extreme C MGE 1KVA/700W 10min 22.4*48.3*43 cm 12Kg $ 978600,

UPSTATION GXT2U Liebert 1KVA/700W 11min

14.9*20.2*28.4 cm 14.1Kg $ 616000,

Line Voltage Conditioners Sollatek 600VA 10min 7.5*23*22.6 cm 12.5Kg $ 579460,

Line Voltage Conditioners BBC & CM 750VA 10min

9.5*29*20.5 cm 17Kg $ 757400,

OEM Voltage Regulator Sollatek 1KVA 10min 13*18*18 cm 10Kg $ 102060,

Line Voltage Conditioners Sollatek 750VA 10min

9.7*32*13.5 cm 8Kg $ 245000,

RS Line UPS RS 1KVA/670W 8min 15.8*37.6*23.1 cm 13Kg $ 771400,

PC Power II MGE 620VA/450W 10min

4.4*43.8*49.9 cm 13.6Kg $ 630000,

Line UPS WallMount 1KW/700W 7min 18.3*40*13.6 cm 16Kg $ 931000,

Pulsar Evolution MGE 1KVA/700W 5min

Pulsar Ellipse Premium MGE 1KVA/650W 10min 7.8*30.3*30.9 cm 10Kg $ 612000,

Power Elite Multitec RS 10KVA/8KW 6min 28*75*73 cm 150Kg $ 6916000,

122

7.3 ESTUDIO DE INGENIERÍA

Para iniciar una empresa que tenga como rubro la producción de sistemas

ininterrumpibles de energía , es necesario conocer el costo total del proyecto , su

desarrollo en el tiempo, y los diferentes costos que determinan el costo final por

unidad, tales como mano de obra, costos totales de los materiales, costos por

ingeniería, etc.

Aunque los datos que debe entregar el estudio de ingeniería son el monto

de la inversión y los costos de producción involucrados, el estudio técnico debe

resultar capaz de justificar y demostrar la viabilidad técnica del proyecto y

señalar la alternativa técnica óptima para el proyecto.

A continuación se detalla los principales costos, de las materias primas

requeridas, para la puesta en marcha de una empresa dedicada al diseño y

construcción de UPS tipo UQPC.

Las siguientes tablas muestran el costo promedio de las materias primas

utilizadas en la construcción de cada unidad a producir por circuito.

Tabla 7.2: Materias primas del circuito de potencia del sistema.

IR2125 Mosfet 3 $ 3.780 $ 11.340Transductor Corriente Sensor HALL 1 $ 15.695 $ 15.695

L1=400mh=L2 Trafo 1 $ 12.600 $ 12.600100K 1W Resistencia 1 $ 529 $ 52910K 1W Resistencia 1 $ 369 $ 369Electrolitico 30uf 400(V) Condensador 1 $ 23.458 $ 23.458

$ 109.831

CIRCUITO DE POTENCIA DEL SISTEMA

Lc1,inductancia de acoplamiento FAP L=2mH, 22AWG Nucleo Thorton Tipo EE-59/39

Lc2,inductancia de acoplamiento FAS L=2.5mH, 22AWG Nucleo Thorton Tipo EE-59/39

E-59/39 4 5400 21600

E-59/39 4 5400 21600

LR,inductancia Parasita L=300uH, 22AWG Nucleo Tipo EE-42810

E-42810 1 2640 2640

Dispositivos usados en la UPS TipoCantidad

usadaCosto por

unidadCosto total

123

Tabla 7.3: Materias primas del circuito de potencia de los filtros activos.

IRGB4BC20U IGBT 8 $ 3.528 $ 28.224MUR1560 Diodos 8 $ 860 $ 6.880D1N4744 Zeners 8 $ 685 $ 5.48050 (ohms) 1/4 W Resistencia 8 $ 125 $ 1.000Electrolitico 2,2mf 400(V) Condensador 1 $ 45.890 $ 45.890

$ 87.474

Costo por unidad

Costo total

CIRCUITO DE POTENCIA DE LOS FILTROS ACTIVOS

Dispositivos usados en la UPS TipoCantidad

usada

Tabla 7.4: Materias primas del circuito de control de los filtros activos.

CI LM 311 A.O 4 $ 504 $ 2.016CI LM 741 A.O 1 $ 856 $ 856CI LM 411 A.O 1 $ 739 $ 7395 (Kohms) 1/4 W Resistencia 1 $ 89 $ 8950 (Kohms) 1/4 W Resistencia 1 $ 214 $ 214800 (ohms) 1/4 W Resistencia 1 $ 56 $ 5615 (Kohms) 1/4 W Resistencia 1 $ 126 $ 12650 (ohms) 1/4 W Resistencia 1 $ 13 $ 1310 (Kohms) 1/4 W Resistencia 3 $ 112 $ 3361 (Kohms) 1/4 W Resistencia 2 $ 74 $ 148100K 1W Resistencia 1 $ 529 $ 52910K 1W Resistencia 1 $ 369 $ 369127,3 (pF) 25V Condensador 1 $ 1.266 $ 1.266127,3 (nF) 25V Condensador 1 $ 1.560 $ 1.560497,4 (nF) 25V Condensador 1 $ 1.350 $ 1.35019,89 (nF) 25V Condensador 1 $ 1.286 $ 1.286500 (uF) 25V Condensador 1 $ 3.160 $ 3.160800 (uF) 25V Condensador 1 $ 3.489 $ 3.489Vpp=10V Fc=40Khz Triangulares 2 $ 1.860 $ 3.720Vpp=10V Fc=50Khz Triangulares 1 $ 2.000 $ 2.000Drivers Drivers IGBT 8 $ 1.500 $ 12.000

$ 35.322

CIRCUITO DE CONTROL DE LOS FILTROS ACTIVOS

Dispositivos usados en la UPS TipoCantidad

usadaCosto por

unidadCosto total

124

Tabla 7.5: Materias primas del circuito de detector de presencia de red.

10 (Kohms) 1/4 W Resistencia 6 $ 112 $ 6721,2 (Kohms) 1/4 W Resistencia 4 $ 80 $ 32039 (Kohms) 1/4 W Resistencia 2 $ 249 $ 498270 (Kohms) 1/4 W Resistencia 2 $ 366 $ 7321 (Kohms) 1/4 W Resistencia 1 $ 74 $ 7468 (nF) 25V Condensador 1 $ 1.239 $ 1.239

220 (nF) 25V Condensador 1 $ 1.368 $ 1.3680,1 (nF) 25V Condensador 1 $ 986 $ 9861N4148 Diodos 6 $ 504 $ 3.024BC550B BJT 4 $ 769 $ 3.076CI LM324 A.O 2 $ 649 $ 1.298Toma media Lp=100m Ls1=Ls2=200 Trafo 1 $ 8.000 $ 8.000

$ 21.287

CIRCUITO DETECTOR DE PRESENCIA DE RED

Dispositivos usados en la UPS TipoCantidad

usadaCosto por

unidadCosto total

7.4 COSTOS OPERACIONALES

La determinación de la estructura de costos de producción y

comercialización, de los gastos de administración y ventas, exige un

conocimiento detallado de las relaciones de insumo producto.

Para calcular los costos operacionales se debe tener en cuenta que en la

producción de un sistema ininterrumpible de energía, en algunos casos, solo se

utiliza un porcentaje de los insumos.

Los costos operacionales se obtienen de acuerdo a las unidades

necesarias y al costo total de estas unidades. El costo operacional se puede

calcular de la siguiente ecuación.

C.O = M.O+ In+M.P (7.1)

Donde:

C.O: Es el costo operacional necesario en la construcción de cada controlador

unificado de calidad de potencia (UPQC).

125

M.O: Es el costo de la mano de obra utilizada en la construcción de cada

controlador unificado de calidad de potencia (UPQC).

In: Es el costo de los insumos utilizados en la construcción de cada controlador

unificado de calidad de potencia (UPQC).

M.P: Es el costo de las materias primas utilizadas en la construcción de cada

controlador unificado de calidad de potencia (UPQC).

Tabla 7.6: Mano de obra requerida la producción de UPS – UPQC.

Tecnico Armado de Placas 1 $ 50.000 $ 50.000Costos por Ingeniería 1 $ 200.000 $ 200.000

$ 250.000

Dispositivos usados en la UPS TipoCantidad

usadaCosto por

unidadCosto total

MANO DE OBRA

Tabla 7.7: Insumos requeridos la producción de una UPS – UPQC.

Disipador térmico (2,4º/w) 2 $ 4.872 $ 9.744Placa de cobre 1 $ 450 $ 450Acido para placa 1 $ 1.500 $ 1.500Lapiz pentel 1 $ 2.500 $ 2.500soldadura 1 $ 1.500 $ 1.500cautin 1 $ 2.500 $ 2.500Otros 1 $ 3.000 $ 3.000

$ 21.194

Cantidadusada

Costo por unidad

Costo total

INSUMOS

Dispositivos usados en la UPS

Por lo tanto, el costo operacional anual resulta:

C.O = 378914 + 21194 + 250000 = 650108 (7.2)

126

Tabla 7.8: Resumen de costos totales.

PRECIOCIRCUITO POTENCIA SISTEMA $ 109.831

$ 87.474CIRCUITO DE PRESENCIA DE RED $ 35.322CIRCUITOS DE CONTROL DE FILTROS $ 21.287CIRCUITO CARGADOR DE BATERÍAS $ 125.000OTROS MATERIALES $ 21.194TOTALES MATERIALES $ 400.108POR MANO DE OBRA $ 50.000DE INGENIERÍA $ 200.000TOTAL UNITARIO $ 250.000

$ 650.000

CIRCUITO POTENCIA DE FILTROS

COSTOS

COSTOS

OPERACIONALESINSUMOS

PRECIO APP. UNITARIO UPS

COSTOS MATERIALES

MANO DE OBRA

7.5 CRITERIO DEL VALOR ACTUAL NETO

Este criterio plantea que el proyecto debe aceptarse si su valor actual neto

(VAN) es igual o superior a cero, donde el VAN es la diferencia entre todos sus

ingresos y egresos expresados en moneda útil.

Para decidir a través del VAN, la inversión se presentará ventajosa

cuando el valor actualizado neto sea positivo, esto es, si su valor es positivo

conviene llevar a cabo el proyecto. Para el caso de resultar negativo, indicaría

inviabilidad económica y si resultara igual a cero evidenciaría una situación de

indiferencia.

Ahora bien, más allá de lo establecido en el párrafo anterior, se debe tener

en cuenta que si la tasa de descuento utilizada para el cálculo del VAN es una

pretendida proporción de rendimiento (tasa de utilidad) mayor a la tasa de costo

alternativo del capital, si el VAN resultara negativo, no estaría indicando

necesariamente una pérdida, sino más bien, cuánto faltó para que el

inversionista obtuviera la rentabilidad deseada. Asimismo, si el VAN fuera igual a

cero, se indicaría una ganancia exactamente igual a la exigida, mientras que si

resultare positivo, el VAN reflejaría el excedente de ganancia por sobre lo que se

pretendía.

El VAN está definido por la siguiente ecuación:

127

( )( ). . / ; ;inicialVAN I I O C O P A TRMA n= − + − (7.3)

Donde:

Iinicial: es la inversión inicial del proyecto

C.O: son los costos operacionales del proyecto

I.O: son los ingresos operacionales del proyecto

TRMA: es la tasa de retorno media anual (%)

n: es la vida útil del proyecto

( ) ( )( )

1 1/ ; ;

1

n

n

iP A TRMA n A

i i

+ −= ⋅ ⋅ +

(7.4)

La ecuación anterior representa el valor del factor que aparece en la

ecuación 5.7

Por lo tanto utilizando una TRMA igual a 10% para una vida útil del

proyecto de 10 años, se obtiene que el proyecto será rentable a partir del tercer

año.

Tabla 7.9: Valor Actual Neto para diferentes periodos del proyecto.

Periodo Anual 0 1 2 3 4 5COSTO UPS-UPQC -$ 650,000 $ 0 $ 0 $ 0 $ 0 $ 0BENEFICIOS TOTALES -$ 650,000 $ 300,048 $ 300,048 $ 300,048 $ 300,048 $ 300,048VAN -$ 650,000 -$ 377,230 -$ 129,256 $ 96,174 $ 301,110 $ 487,416Tasa descuento 0.1

Periodo Anual 0 6 7 8 9 10COSTO UPS-UPQC -$650,000 $ 0 $ 0 $ 0 $ 0 $ 0BENEFICIOS TOTALES -$ 650,000 $ 300,048 $ 300,048 $ 300,048 $ 300,048 $ 300,048VAN -$ 650,000 $ 656,785 $ 810,757 $ 950,731 $ 1,077,981 $ 1,193,662Tasa descuento 0.1

Lo que cabe resaltar del análisis del valor actual neto, es que al resultar el

VAN un valor mayor que cero, implica que para el cliente la propuesta de la UPS

tipo UPQC representa una opción valida a la hora de elegir por el hecho de ser

un proyecto totalmente rentable.

128

7.6 RAZÓN BENEFICIOS – COSTOS

El otro punto importante que hay que tener en cuenta cuando se realiza

un análisis de costo – beneficio es la razón beneficios-costos. Esta razón se

realiza para comparar dos alternativas, en cuanto a beneficios. O sea

determinar a través de la relación costos- beneficios cuál de las alternativas es la

más viable.

La relación costo beneficio se puede calcular como

cos

beneficios desbeneficiosBC tos

−= (7.5)

Al calcular la relación beneficio/costo mediante la ecuación anterior para

una alternativa dada, es importante darse cuenta de que los beneficios y costos

utilizados en el cálculo representan los incrementos o las diferencias entre dos

alternativas. Este siempre será el caso, puesto que a veces no hacer nada es

una alternativa aceptable. Así, aún cuando a veces parezca que hay un solo

propósito involucrado en el cálculo, como por ejemplo el construir o no una

represa para el control de crecientes a fin de disminuir el peligro de

inundaciones, deberá recordarse que el propósito de construcción se está

comparando contra otra alternativa: la alternativa de no hacer nada. Aunque esto

es también cierto para las otras técnicas alternas de evaluación presentadas, se

ha destacado aquí debido a la dificultad que a menudo se presenta al determinar

los beneficios y costos entre dos alternativas, cuando solamente están presentes

costos.

Una vez calculada la relación B/C de las diferencias de la ecuación para

comparar alternativos (7.6), una relación B/C 1.0 significa que los beneficios

adicionales de la alternativa de mayor costo justifican ese costo mayor. Si B/C

< 1.0, los costos adicionales no están justificados y se selecciona la alternativa

de menor costo. Obsérvese que este proyecto de menor costo puede ser la

alternativa de no hacer nada si el análisis B/C es para un solo proyecto.

129

Donde CAUE: Costo anual uniforme equivalente, dado por la ecuación:

Donde A: es el factor anualidad dado un presente, expresado como:

Considerando que los beneficios de la UPS tipo UPQC están en función

de la protección respaldo y mejora del factor de potencia, se puede escribir:

Ahora bien, para determinar los beneficios que otorga la UPS Pulsar

Extreme Online, se deben considerar los aspectos de respaldo y protección

solamente, ya que este tipo de UPS no otorga beneficios por conceptos de factor

de potencia. Luego, se considera que los beneficios que otorga esta UPS en

función del respaldo son idénticos a los que ofrece la UPS-UPQC, en cambio los

que están en función de la protección, resultan ser dos tercios de los que ofrece

la UPS tipo UPQC, entonces, los beneficios de la segunda alternativa pueden

escribirse como:

Luego, llevando los beneficios a moneda actual en pesos, esto se

representa en las tablas que se muestran a continuación.

El primer beneficio que otorga la UPS tipo UPQC, es el beneficio por

concepto del factor de potencia. Para esto se realizó una análisis de la tarifa que

posee el cliente, la cual es BT1, baja tensión. En la tabla 7.8 se muestran los

valores por conceptos de cargo fijo, y por costos adicionales de invierno, que se

deben al consumo adicional que sobrepasó el cliente en verano. De esta tabla

_

_

/ UPQC OTRA UPS

UPQC OTRA UPS

B BB C

CAUE CAUE

−=

− (7.6)

( )0 / ; ;CAUE I A P i n CAM= ⋅ + (7.7)

(1 )

(1 ) 1

n

n

i iA P

i

+ ⋅= ⋅+ −

(7.8)

( )UPQCB B proteccion respaldo FP= + + (7.9)

_

2( )

3OTRA UPS UPQCB B respaldo proteccion= + ⋅ (7.10)

130

se obtiene el ahorro que significa elevar el factor de potencia del 0.83 que posee

el cliente a un valor el cual ya no implica multa, o sea por sobre el 0.93. La UPS

eleva el factor de potencia sustancialmente, llevándolo a un valor cercano a la

unidad, por lo que al incorporar los tres nuevos equipos, estos no influirán en la

reducción del factor de potencia del cliente, permitiéndole ahorrar tal como se

desprende de la tabla 7.10, alrededor de 45.000 pesos.

Tabla 7.10: Tabla de ahorro por concepto de Factor de Potencia.

Aérea

SubterráneoSector 1 Barón

(Plan)SubterráneoSector 3 Plan

cosfi potenciahoras

consumoEnergia

(KWh/Mes)Multa KWh

cosfiTotal$/mes

Multa$/mes(cosfi)

Total Anual Ahorro anual

Cargo Fijo Mensual($/mes)

1144,54 1144,54 1144,54 $ 509.257

Energía Base ($/kWh) 59,11 63,6 63,6 0,83 1000 562,5 562,5 56,25 $ 40.497 $ 3.578 $ 283.479 $ 45.048Energía

AdicionalInvierno($/kWh)

109,16 109,16 120,17 0,83 1000 450 450 45 $ 45.156 $ 4.001 $ 225.778

Cargos por Tarifas y Zonas de

Aplicación en $

Considerando ahora los beneficios por respaldo que otorga la UPS, se

muestra la tabla 7.11. Para esto se considera que la tasa anual de fallas es de

12 interrupciones. Si se tiene en cuenta que cada uno de los tres computadores

IMAC representan una producción de 5.000 pesos la hora, y que la duración

promedio de cada falla es de una hora, entonces los beneficios por conceptos de

respaldo corresponden a 60.000 pesos por equipo.

Tabla 7.11: Beneficios por conceptos de respaldo.

$ 5.000121

$ 60.000

Producción por PC por HoraTasa de fallas al año

Promedio de horas por fallaRespaldo por PC

BENEFICIOS POR RESPALDO

También se consideran los beneficios por conceptos de protección, en el

caso de que el sistema opere como UPQC, gracias a que esta configuración

protege los equipos de la mayoría de los disturbios presentes en la red. Es claro

el hecho de que los computadores son equipos bastante sensibles a las

variaciones de la tensión de entrada, siendo este un parámetro bastante crítico al

131

momento de considerar la zona altamente contaminada en la cual operan. La

tabla 7.12 muestra el ahorro que se obtiene al proteger cada uno de los

computadores. Se considera el precio por unidad que poseen los IMACS, más

las licencias de sus programas, lo que significa una inversión de un millón de

pesos que debe protegerse. Si se considera que la vida útil estimada para estos

equipos es de 10 años y considerando un factor de ahorro por protección se

desprende que el beneficio obtenido por este concepto es de 25.000 pesos por

equipo.

Tabla 7.12: Beneficios por conceptos de protección.

$ 1.000.00010

$ 250.000$ 25.000

Factor ahorro por protección (25% precio Imac)Respaldo anual por PC

Precio de ImacVida Util (años)

BENEFICIOS POR PROTECCION

Finalmente la tabla 7.13 muestra el resumen de beneficios que se

obtienen al utilizar la UPS tipo UPQC para los tres nuevos equipos del cliente.

Tabla 7.13: Beneficios totales obtenidos por la utilización de la UPS-UPQC.

Beneficios UPQC precioFactor de Potencia $ 45.048Protección $ 75.000Respaldo $ 180.000Beneficios totales $ 300.048

Para determinar los beneficios de la alternativa dos, que es la UPS Pulsar

Extreme Online de MGE, se realizó un análisis similar al anterior. Las grandes

diferencias por conceptos de beneficios están el factor de potencia y en la

protección. Por un lado esta alternativa no mejora el factor de potencia, y

tampoco protege de la misma manera en que lo hace la alternativa estudiada,

sino que sus beneficios por conceptos de protección son dos tercios de los que

ofrece la UPS tipo UPQC. La tabla 7.14 muestra el resumen de los beneficios

totales que ofrece la UPS de la segunda alternativa.

132

Tabla 7.14: Beneficios totales obtenidos por la utilización de la UPS PULSAR EXTREME ONLINE.

Beneficios UPS 2 precioFactor de Potencia $ 0Protección $ 50.000Respaldo $ 180.000Beneficios totales $ 230.000

La tabla 7.15 muestra la comparación que se debe efectuar para poder

obtener la razón beneficios – costos, que permite determinar cual de las dos

alternativas presenta mayores beneficios.

Tabla 7.15: Tabla comparativa de alternativas de UPS.

UPQC PULSAR EXTREME$ 650,000 $ 1,428,000

$ 30,000 $ 68,000$ 300,000 $ 230,000

Costo InicialCosto Anual Mantención

Beneficios Totales

Este resultado da como conclusión que la alternativa que otorgará

mayores beneficios en el plazo determinado será la UPS tipo UPQC

( )650.000 / ;10%;10 135.785UPQCCAUE A P= ⋅ = (7.11)

( )1.428.000 / ;10%;10 300.400OTRACAUE A P= ⋅ = (7.12)

300.000 230.000/ 0.425

135.785 300.400B C

−= = −−

(7.13)

/ 0.425 1B C = − ≤ (7.14)

CONCLUSIONES GENERALES

Se realizó el estudio de un controlador unificado de calidad de potencia,

detallando su estructura, funcionamiento y proyección económica.

El estudio que se efectuó de la UPS tipo UPQC, se basó en dos

inversores alimentados en tensión configurados espalda con espalda, ambos

operando como filtros activos de potencia, uno en paralelo (de corriente) y el otro

en serie (de tensión), con lo cual se logra mejorar de manera eficiente el factor

de potencia y la calidad de suministro a una carga de un kilo volt-ampere.

Se realizó el estudio de las UPS no estandarizadas y estandarizadas, con

el propósito de clarificar las diferentes topologías existentes en el mercado, como

así también sus estructuras y formas de operación.

Se analizaron por separado los inversores que actúan como filtros activos

de potencia, desarrollándose los estudios y análisis del filtro activo paralelo y del

filtro activo serie.

Se implementó la unión de ambos filtros activos de potencia con el fin de

validar el proyecto final, lográndose con el acople de ambos sistemas los

resultados finales esperados. Se muestran las simulaciones que validan el buen

funcionamiento de la UPS tipo UPQC.

Se llevó a cabo el estudio de la proyección física de la UPS-UPQC,

especificándose los componentes a utilizar para su construcción.

También se efectuó el estudio costo-beneficio, comparando la UPS-UPQC

con otra UPS existente en el mercado y de características similares para

determinar cual de las alternativas representaba la mejor opción para una

empresa, resultando ser la alternativa de la UPS-UPQC la mejor opción

REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS

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IEEE Transactions on Power Electronics, Vol. 13, Nº.2, Marzo 1998.

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Using a Series Active Filter”, Proceedings COBEP-2001, Vol.2, pp. 403-

408, 11-14, Noviembre 2001.

[3] POTTKER, FABIANA “Correção do Fator de Potência de Cargas Não-

Lineares Monofásicas Empregando Filtro Ativo ” Disertação de Mestrado

em Engenharia Elétrica. UFCS 1997.

[4] THE MERLIN GERIN ENTERPRISES “Ups Topologies and Standard”

MGE UPS SYSTEMS, Noviembre 1999.

[5] GULES, ROGER, “Uninterruptible Power Supplies”. Publicación

Independiente.

[6] BARBI, IVO “Electronica de Potencia II“, Publicación interna, UFCS, 1981.

[7] RUIZ CABALLERO, DOMINGO, “Diseño de Fuentes Conmutadas”

Publicación Interna PUCV.

[8] BLANK, LELAND & TARQUIN, ANTHONY “Ingeniería Económica”

Segunda Edición. McGraw-Hill.

[9] RUIZ CABALLERO, DOMINGO, “Armónica en Sistemas de Baja Tensión”

Publicación Interna PUCV.

A P É N D I C E A

HOJA DE DATOS DE LOS COMPONENTES

APÉNDICE A

HOJA DE DATOS DE LOS COMPONENTES

Tabla A.1 NÚCLEOS DE FERRITA TIPO E DE THORNTON.

NÚCLEO Ae [cm2] Aw [cm2] Le [cm] Lt [cm] Ve [cm3] Ap [cm4]

E-20 0,31 0,26 4,28 3,80 1,34 0,08

E-30/7 0,60 0,80 6,70 5,60 4,00 0,48

E-30/14 1,20 0,85 6,70 6,70 8,00 1,02

E-40/12 1,48 1,17 7,70 8,80 11,30 1,73

E-42/15 1,81 1,57 9,70 8,70 17,10 2,84

E-42/20 2,40 1,57 9,70 10,50 23,30 3,77

E-55 3,54 2,50 12,00 11,60 42,50 8,85

EE-60 2,47 2,89 11,00 12,80 - 7,13

E-65/13 2,66 3,70 14,70 9,60 39,10 9,84

E65/26 5,32 3,70 14,70 14,80 78,20 19,68

E-65/39 7,98 3,70 14,70 17,40 117,30 29,53

Material : IP6

Temperatura Curie: >160ºC

Bsat: 0,3 [T] a 85ºC

ìr: 3000(CGS) para B=1000Gauss

Donde:

Ae: área de la pierna central

Aw: área de la ventana del carretel

Le: longitud del camino magnético

Lt: longitud promedio de una espira

Ve: volumen del núcleo

Tabla A.2 POTENCIA V/S DENSIDAD DE CORRIENTE.

Potencia [VA] Jmáx [A/cm2]

500 350

500 a 1000 300

1000 a 3000 250

Tabla A.3 FACTORES DE ENRROLLAMIENTO Y DE UTILIZACIÓN DE LA VENTANA EN INDUCTORES.

INDUCTOR FACTOR Ku FACTOR Kp Ku· Kp

Buck o Boost CCM 0,7 1,0 0,7

Buck o Boost DCM 0,7 1,0 0,7

Flyback CCM 0,4 0,5 0,2

Flyback DCM 0,4 0,5 0,2

Tabla A.4 FACTORES DE ENRROLLAMIENTO Y DE UTILIZACIÓN DE LA VENTANA EN TRANSFORMADORES.

TRANSFORMADOR Kt Ku Kp Ku· Kp

Forward 0,71 0,4 0,5 0,141 PS/SS

Forward 0,71 0,4 0,2 0,0568 PD/ST

Completa o media

puente1 0,4 0,41 0,165 PS/SD

Onda completa (Tap

central)1,41 0,4 0,25 0,141 PD/SD

PS/SS Primario simple/secundario simple

PS/SD Primario simple/secundario doble

PD/SD Primario doble/secundario doble

PD/ST Primario doble/secundario triple

Tabla A.5 TABLA DE ALAMBRES ESMALTADOS

AWG

DiámetroCobreCm

Área CobreCm2

Diámetrocon

AislaciónCm

Área con Aislación

Ω/Cm@ 20ºC

Ω/Cm@ 100ºC

Amps.@ 450 A/Cm2

10 0.259 0.052620 0.273 0.058572 0.000033 0.000044 23.67911 0.231 0.041729 0.244 0.046738 0.000041 0.000055 18.77812 0.205 0.033092 0.218 0.037309 0.000052 0.000070 14.89213 0.183 0.020243 0.195 0.029800 0.000066 0.000088 11.8114 0.163 0.020811 0.174 0.023800 0.000083 0.000111 9.36515 0.145 0.016504 0.156 0.019021 0.000104 0.000140 7.42716 0.129 0.013088 0.139 0.015207 0.000132 0.000176 5.89017 0.115 0.010379 0.124 0.012164 0.000166 0.000222 4.67118 0.102 0.008231 0.111 0.009735 0.000209 0.000280 3.70419 0.091 0.006527 0.100 0.007794 0.000264 0.000353 2.93720 0.081 0.005176 0.089 0.006244 0.000333 0.000445 2.32921 0.072 0.004105 0.080 0.005004 0.000420 0.000561 1.84722 0.064 0.003255 0.071 0.004013 0.000530 0.000708 1.46523 0.057 0.002582 0.064 0.003221 0.000668 0.000892 1.16224 0.051 0.002047 0.057 0.002586 0.000842 0.001125 0.92125 0.045 0.001624 0.051 0.002078 0.001062 0.001419 0.73126 0.040 0.001287 0.046 0.001671 0.001339 0.001789 0.57927 0.036 0.001021 0.041 0.001344 0.001689 0.002256 0.45928 0.032 0.000810 0.037 0.001083 0.002129 0.002845 0.36429 0.029 0.000642 0.033 0.000872 0.002685 0.003587 0.28930 0.025 0.000509 0.030 0.000704 0.003386 0.004523 0.22931 0.023 0.000404 0.027 0.000568 0.004269 0.005704 0.18232 0.020 0.000320 0.024 0.000459 0.005384 0.007192 0.14433 0.018 0.000254 0.022 0.000371 0.006789 0.009070 0.11434 0.016 0.000201 0.020 0.000300 0.008560 0.011437 0.09135 0.014 0.000160 0.018 0.000243 0.010795 0.014422 0.07236 0.013 0.000127 0.016 0.000197 0.013612 0.018186 0.05737 0.011 0.000100 0.014 0.000160 0.017165 0.022932 0.04538 0.010 0.000080 0.013 0.000130 0.021644 0.028917 0.03639 0.009 0.000063 0.012 0.000106 0.027293 0.036464 0.02840 0.008 0.000050 0.010 0.000086 0.034417 0.045981 0.02341 0.007 0.000040 0.009 0.000070 0.043399 0.057982 0.018

AWG = American Wire GaugeArea = (π*D2)/4Resistividad del cobre a la temperatuta T:

( )( ) CmT −Ω⋅−⋅+⋅= −610200042.01724.1ρSi T = 20ºC : Cm−Ω⋅= −610724.1ρ

TABLA A-6 HOJA DE DATOS IRG4BC20U

TABLA A-7 HOJA DE DATOS MUR1560