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Reporte del verano regional de un inversor de cinco niveles con un microcontrolador pic.
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www.veranoregional.mx
DISEÑO DE CONTROLADOR BASADO EN REGLAS PARA GENERAR LAS SEÑALES DE DISPARO
DE UN INVERSOR DE CINCO NIVELES
Erivan Israel Vázquez Rodríguez1, Sergio Constantino Yáñez Campos
2 y Heber Bernabé Pérez Márquez
3
RESUMEN
Los inversores multinivel han atraído recientemente el interés en el campo de la electrónica de potencia por su
innovación ya que tienen propiedades que son adecuadas para uso en compensación de potencia reactiva. La
estructura única de fuente de voltaje de los inversores multinivel les permite alcanzar altos voltajes con bajo nivel
armónico, sin uso de transformadores o de dispositivos de conmutación sincronizada conectados en serie. A medida
que aumenta la cantidad de niveles de voltaje, se reducen en forma importante el contenido de armónicas en la forma
de onda de voltaje de salida [1]. En este trabajo se presenta un control basado en reglas para generar las señales de
disparo para un inversor de cinco niveles monofásico. El algoritmo de control que determina las señales de disparo es
programado en un microcontrolador PIC.
ABSTRACT
Multilevel inverters have recently attracted interest in the field of power electronics for innovation as they have
properties that make them suitable for the use in reactive power compensation. The unique structure of voltage
source multilevel inverters allows them to achieve high voltages with low harmonic level without using transformers
or synchronized switching devices connected in series. As the number of voltage levels increase, the content of
harmonics in the waveform of output voltage is reduced [1]. In this work we present a control based on rules to
generate trigger signals for a five-level inverter. The control algorithm that determines the trigger signals is
programmed into a PIC microcontroller.
Palabras Clave: Señales de disparo, Control basado en reglas, Inversor de cinco niveles
INTRODUCCIÓN
En la actualidad se ha tenido gran interés en los sistemas de energía renovable en todo el mundo. Los sistemas de
generación de energía hacen uso de tecnologías de electrónica de potencia y por supuesto diferentes metodologías o
esquemas de control para que estos funcionen de una manera adecuada. Una de las ventajas que ofrecen las energías
renovables es su potencial de proveer energía en áreas donde no hay red eléctrica. La mayoría de las tecnologías de
energía renovables producen energía de cd. Por lo tanto, son necesarios sistemas de control y de electrónica de
potencia para convertir la energía de cd en energía ca.
Los inversores son usados para convertir la energía de cd en ca. Básicamente existen dos tipos de inversores: los
conectados a la red eléctrica y los de los sistemas independientes. Topológicamente estos inversores son similares,
pero en términos de los objetivos de control son diferentes. Un inversor de un sistema independiente es usado en
aplicaciones aisladas, mientras que un inversor de un sistema conectado a la red eléctrica debe seguir las
características de voltaje y frecuencia de la línea de distribución.
Generalmente, los esquemas de control para inversores se basan en técnicas PWM. Debido a la naturaleza no lineal
de los inversores y las técnicas PWM, se obtienen soluciones muy complejas y en ocasiones intratables. A diferencia
1 Ingeniería Electrónica, Instituto Tecnológico Superior de Irapuato, Carr. Irapuato – Silao km. 12.5, C.P: 36821,
Gto. Irapuato. Teléfono: (462) 606 7900; [email protected] 2 Coordinación de Ingeniería Electrónica, Instituto Tecnológico Superior de Irapuato, Carr. Irapuato – Silao km.
12.5, C.P: 36821, Gto. Irapuato. Teléfono: (462) 606 7900; [email protected] 3 Coordinación de Ingeniería Electrónica, Instituto Tecnológico Superior de Irapuato, Carr. Irapuato – Silao km.
12.5, C.P: 36821, Gto. Irapuato. Teléfono: (462) 606 7900; [email protected]
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de estos esquemas, existen técnicas de control basadas en inteligencia artificial o soft computing. Estos esquemas de
control intentan emular el razonamiento humano por lo que presentan soluciones relativamente sencillas y
transparentes al razonamiento humano. Diferentes técnicas de soft computing aplicadas al control de inversores en
sistemas de energía renovable son revisadas en [2]. Un controlador basado en lógica difusa para u inversor trifásico
es presentado en [3]. Para el diseño del controlador se seleccionan las variables lingüísticas de una manera apropiada
para modular el ángulo de disparo. Además, un microcontrolador PIC es programado para generar las señales de
disparo del inversor. Un esquema de control para seguimiento de fase sin PLL en un sistema monofásico es
presentado en [4]. En [5] se presenta un esquema de control PWM con dos señales de referencia para un inversor de
cinco niveles.
En este trabajo se presenta un control para la generación de señales de disparo para un inversor de cinco niveles
monofásico. Para propósitos de portabilidad y bajo costo el control ha sido diseñado para programarse en un
microcontrolador PIC.
MÉTODOS Y MATERIALES
Control basado en reglas
En años recientes se han incrementado las investigaciones para entender la habilidad del humano para razonar y
tomar decisiones, frecuentemente con un conocimiento parcial de un problema determinado. Bajo este razonamiento,
nos encontramos en el dilema de tomar decisiones para resolver un problema con información incompleta. De esta
forma se puede tomar un razonamiento aproximado de un problema, lo que se conoce comúnmente como lógica
difusa. Como resultado, la inteligencia artificial usando logia difusa ha probado ser extremadamente segura en
atribuir un mecanismo lógico a un amplio rango de tópicos, entre ellos, ingeniería de control y su aplicación en
electrónica de potencia.
El propósito de la lógica difusa es tomar decisiones basadas en un número de reglas aprendidas o predefinidas en
lugar de cálculos numéricos. Para esto, los datos de entrada deben ser representados de tal forma que tengan
significado para su manipulación por medio de tales reglas.
Con el desarrollo de las nuevas tecnologías en microcontroladores, el control con lógica difusa (FLC) ha sido
utilizable en el control de electrónica de potencia debido a que estos sistemas no necesitan modelos matemáticos y
son insensibles a los cambios en los parámetros del sistema. La idea principal del control basado en reglas reside en
un procedimiento que proporciona un método para establecer reglas de asignación que determinan el
comportamiento del controlador. En este trabajo, el objetivo de control es que el voltaje de salida del inversor de
cinco niveles monofásico sea de una forma escalonada y aproximada a la senoidal.
Procedimiento de diseño de las reglas de inferencia
Figura 1. Intervalos del voltaje de referencia
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Para establecer las reglas y por propósitos de claridad, se definen cinco constantes: A, B, C, D y E. Estas se usan para
dividir el voltaje de referencia (𝑣𝑟𝑒𝑓) en cuatro intervalos (véase la Figura 1). De acuerdo a la Tabla 1 y a la Figura 1,
se establecen las siguientes reglas:
Regla 1: Si 𝑣𝑟𝑒𝑓 es mayor que C, entonces enciende 𝑆6
Regla 2: Si 𝑣𝑟𝑒𝑓 es menor que C, entonces enciende 𝑆5
Regla 3: Si 𝑣𝑟𝑒𝑓 esta entre B y C, entonces conmuta 𝑆2
Regla 4: Si 𝑣𝑟𝑒𝑓 esta entre A y B, entonces conmuta 𝑆2 y 𝑆3
Regla 5: Si 𝑣𝑟𝑒𝑓 esta entre C y D, entonces conmuta 𝑆2
Regla 6: Si 𝑣𝑟𝑒𝑓 esta entre D y E, entonces conmuta 𝑆2 y 𝑆4
Tabla 1. Voltaje de salida del inversor en función de los elementos de conmutación
Q2 Q3 Q4 Q5 Q6 𝒗𝒐
1 0 0 0 1 𝑣𝑖𝑛 / 2
1 1 0 0 1 𝑣𝑖𝑛
0 0 o 1 0 o 1 1 o 0 1 o 0 0
1 0 0 1 0 𝑣𝑖𝑛 / 2
0 0 1 1 0 𝑣𝑖𝑛
Sistema propuesto
La Figura 2 ilustra el diagrama de bloques del sistema propuesto. La señal de referencia se acondiciona a niveles de
energía que soporta el microcontrolador. Por medio del convertidor analógico-digital del PIC, este último convierte
la señal de referencia analógica a valores digitales y lo asigna a una variable para posteriormente ser manipulada por
el control difuso. Después de la etapa donde se ajustan las señales, los pulsos recibidos por el inversor definen la
forma en que este convierte la energía proveniente del generador de energía a una energía de ca.
Figura 2. Diagrama de bloques del sistema propuesto
RESULTADOS
A continuación se presentan alguna de las lecturas tomadas con un osciloscopio de algunas de las etapas del sistema
empleado.
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Figura 3. Lectura de la señal acondicionada
Figura 4. Señal de disparo para elemento de conmutación a alta frecuencia
En la Figura 3 tenemos, en la parte superior, el canal 1 que muestra la señal de referencia que nos permitirá generar
las señales de disparo para cada una de las condicione o reglas mencionadas previamente. En la parte inferior de la
misma figura se observa el canal 2 que muestra la señal después que ha sido acondicionada, la cual se observa tiene
una amplitud de 5 𝑉𝑝−𝑝 con un offset de 2.5V. La Figura 4 muestra una de las señales de disparo a alta frecuencia
para uno de los elementos de conmutación.
Figura 5. Señal de disparo para elemento de conmutación a alta frecuencia
Figura 6. Comparación entre la señal de referencia y la señal final de salida
La Figura 5 muestra otra de las señales de disparo pero esta vez a una baja frecuencia para uno de los cinco
elementos de conmutación. Finalmente la Figura 6 muestra una comparación entre la señal de referencia y la señal de
cd invertida con una forma muy similar a la onda senoidal original.
CONCLUSIONES
El presente trabajo da lugar a las siguientes conclusiones:
El diseño implementado en el trabajo presente para el sistema de control de un inversor de voltaje es una
alternativa viable debido al uso de dispositivos de bajo costo además de resultar práctico ya que su peso y
tamaño facilitan su portabilidad.
El uso de los microcontroladores permite una fácil implementación de controladores difusos.
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De acuerdo con las pruebas realizadas haciendo uso de las reglas de inferencia y llevando a cabo la
programación adecuada en el microcontrolador PIC se muestra que este es un dispositivo confiable para esta
aplicación.
BIBLIOGRAFIA
[1] A. Limón Morín, I. Campos-Cantón & E. Bárcenas Bárcenas. (2005). “Funcionamiento de Convertidores
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![CONVERSOR HÍBRIDO DE CINCO NÍVEIS … · o inversor com ponto neutro grampeado a diodos (Neutral Point Clamped – NPC) [2], [3], o inversor com capacitor flutuante ( Flying Capacitor](https://img.pdfslide.tips/doc/110x75/5baada7409d3f2196d8d5f01/conversor-hibrido-de-cinco-niveis-o-inversor-com-ponto-neutro-grampeado-a.jpg)
