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7/23/2019 Inversor Trifasico Tesis MedinSilvaL.a Fdocx
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INSTITUTO POLITCNICO NACIONAL
ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERA
MECNICA Y ELCTRICA
DISEO DE UN INVERSOR DE CORRIENTE ELCTRICA
CON SELECTOR MANUAL DE CONEXIN POR FASES A LA
SALIDA
TESIS
QUE PARA OBTENER EL TTULO DE INGENIEROELECTRICISTA
PRESENTA
LUIS ALBERTO MEDINA SILVA
ASESORES
ING. JOS LUIS DELGADO MENDOZA
ING. EVERARDO LPEZ SIERRA
MXICO, D.F. MAYO DEL 2014
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DEDICATORIA
Este trabajo se lo de dedico toda mi familia que siempre me han apoyado en todo
momento, an a pesar de las circunstancias, siempre han estado a mi lado, y enespecial a mi mam por ser mi bastin en todo lo que he hecho.
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AGRADECIMIENTOS
Gracias a Emilio mi pap, por su apoyo y darme todo siempre.
Gracias Ivan mi hermano, por aguantarme y por ser mi hermano.
Gracias a Vania mi hermana, porque se lo mucho que me quiere y que siempre
me frecuenta.
Gracias a Ofelia mi mam, por cuidarme desde siempre y preocuparse por m,
ayudndome a crecer como persona.
Especiales agradecimientos a mis profesores que contribuyeron en este trabajo, a
Everardo por insistir en hacer este trabajo gracias. A Jos Luis por aceptar ser mi
asesor tcnico y ayudarme a terminar este trabajo.
Gracias a todos los que de alguna manera influyeron para poder lograr este
trabajo, gracias a mi ta Lolita por todo.
Gracias a dios.
Gracias, totales
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I. RESUMEN.
En este trabajo se podr encontrar el diseo de un inversor de corriente elctrica
con selector manual de conexin por fases a la salida, el cual surge de la necesidad
de no contar con fuentes de energa elctrica de emergencia, mviles yeconmicas, adems de brindar una buena calidad, un alto nivel de rendimiento y
altos niveles de potencia.
De ah que en cuatro captulos se aborde todo lo referente a un inversor trifsico
que satisfaga las necesidades anteriormente mencionadas, tratando de abordar
todos los temas relacionados con los inversores de corriente elctrica monofsicos
y trifsicos, as como sus circuitos de control, de forma puntual para una sencilla y
fcil comprensin.
En los captulos uno y dos se abordan la informacin bsica y necesaria para
desarrollar el proyecto de la mejor forma, tratando temas como definicin de un
inversor de corriente elctrica, los tipos de inversores que se emplean ms en la
actualidad, su topologa y los elementos que lo componen. Incluyendo los mtodos
por los cuales se controla a los inversores ms empleados, se comparan y
muestran las ventajas y desventajas de dicho mtodos de control.
Para el captulo tres que es el estudio tcnico y econmico, se resea las razones
de eleccin de los elementos y como es que trabajan, adems se muestra la
simulacin de dicho inversor utilizando el software OrCadPspice 16.0. Aqu se
determina la viabilidad econmica del inversor, al presentarse una cotizacin del
inversor completo y un supuesto uso peridico del inversor, en ella se incluye una
comparacin entre el uso peridico de dicho inversor y lo compara con el generadorsncrono o planta de emergencia a gasolina.
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II. INTRODUCCIN.
El presente trabajo aborda el diseo de un inversor de corriente elctrica con
selector manual de conexin por fases a la salida, dicho diseo es motivado porlas necesidades observadas en algunas situaciones de trabajo, en donde por un
lado se utiliza la corriente elctrica para distintos usos (trabajos), y por el otro no se
cuenta con una conexin elctrica fija.
En este proyecto se explica el diseo del inversor tomando en cuenta la
importancia que estos equipos tienen en la actualidad y la relevancia de sustituir
las grandes maquinas generadoras mviles por estos inversores, que,
comparados a los ya mencionados generadores, su tamao es significativamente
menor.
Dependiendo de los usos donde se emplee el inversor, puede necesitarse distintos
tipos de conexiones; monofsica dos hilos, trifsica tres hilos, trifsica cuatro hilos,
etctera, esto depender del instrumento elctrico utilizado. Este inversor
presentar distintos tipos de conexiones, adecuados a la carga que alimenta,
resultado de la seleccin de conexin por fases a la salida, debido a esto, las
aplicaciones de este equipo pueden adecuarse a las situaciones donde el
operador decida utilizar.
Un inversor de corriente, modo de operacin del inversor, los dispositivos que lo
componen, en donde y para que puede ser empleado, son algunos conceptos que
se abordan en este proyecto, as como la caracterstica innovadora que en particular
este proyecto presenta.
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III. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA.
El espacio donde hay una subestacin elctrica debe ser exclusivo para ello, por lo
que solo debe haber lo necesario. Al realizar actividades de reparacin o
mantenimiento dentro de una subestacin elctrica, generalmente se utilizan
herramientas que requieren para su funcionamiento energa elctrica, si dichas
herramientas utilizan una tensin mayor a 127 volts, seguramente no habr puntos
de conexin comunes para conectar estas herramientas, por lo que se requiere
conectarse directamente al tablero principal donde si hay esas tensiones, sin
embargo, esto resulta altamente riesgoso. En la actualidad, la solucin a esta
situacin es el uso de una fuente de energa secundaria o externa a la subestacin
para alimentar dicha herramienta. Estas fuentes secundarias o externas son lasplantas de emergencia. En el caso de un mantenimiento preventivo donde se realizan
pruebas a las partes que componen una subestacin elctrica, el suministro de
energa se deshabilita por completo, entonces ya no hay fuentes de energa y la nica
solucin es el uso de las fuentes secundarias o externas a la subestacin.
Con el diseo del inversor de corriente elctrica con selector manual de
conexin por fases a la salida, se resolver el problema que presenta no contar
con energa elctrica cuando se realiza un mantenimiento preventivo a una
subestacin elctrica?
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IV. JUSTIFICACIN.
Durante el mantenimiento a subestaciones elctricas donde se debe filtrar el aceite
de los transformadores, se toma la energa directamente del tablero de conexin lo
que resulta altamente riesgoso y retrasa las actividades, porque al no estar
desenergizada la subestacin, el mantenimiento no se puede realizar por completo.
Es decir, cuando se tiene una maquina filtradora de aceite conectada al tablero
principal de la subestacin elctrica, no es posible realizar el mantenimiento por
completo, (realizar pruebas a los transformadores de relacin de transformacin,
pruebas de aislamiento y hacer limpieza en el interior de la subestacin si es tipo
compacta) porque la subestacin elctrica y por consecuencia el transformador
siguen energizados. Para dar solucin a este contratiempo se pueden implementarfuentes de energa secundarias, como lo son, mquinas de emergencia sncronas a
disel y mquinas de emergencia a gasolina, para alimentar a la maquina filtradora
de aceite, y a servicios propios del mantenimiento. As como este ejemplo hay
diversos eventos en los que es necesario una maquina con conexin trifsica.
De implementar el diseo del inversor de este proyecto, se reducira el uso de
generadores sncronos mviles y plantas de emergencia a gasolina de
caractersticas similares al inversor propuesto en este proyecto, manteniendo la
potencia adecuada y volviendo estas actividades menos riesgosas.
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V. OBJETIVOS.
V.I. OBJETIVO GENERAL
Disear un inversor de corriente elctrica con selector manual de conexin por
fases a la salida.
V.II. OBJETIVO ESPECFICO
Conocer que es un inversor de corriente elctrica.
Colocar a la salida del inversor un selector manual que permita
realizar distintos tipos de conexiones de una, dos y tres fases
Controlar la corriente y por ende la potencia que proporcione
el inversor segn lo demande la carga.
Reducir los costos de operacin causados por retrasos de tiempo en
los mantenimientos a subestaciones elctricas.
Concluir la viabilidad del proyecto.
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NDICE
CAPTULO1 INVERSOR DE CORRIENTE ELCTRICA ......................................... 1
1.1DEFINICIN DE INVERSOR DE CORRIENTE ELCTRICA .......................... 1
1.1.1MODULACIN PWM ................................................................................ 2
1.1.2 INVERSORES MULTINIVEL ..................................................................... 3
1.1.3 INVERSORES CON PUENTE H Y EN CASCADA ................................... 6
1.2TOPOLOGA DE LOS INVERSORES ........................................................... 12
CAPTULO 2 CARATERISTICAS Y ELEMENTOS QUE COMPONEN A UNINVERSOR.............................................................................................................. 16
2.1ELEMENTOS PRINCIPALES DE UN INVERSOR ........................................ 16
2.1.1CIRCUITO CONTROLADOR DEL INVERSOR ...................................... 17
2.1.2MODULACIN POR ONDA PORTADOR Y POR HISTRESIS ............ 18
2.2TRANSFORMADORES Y TIPO DE CONEXIONES ...................................... 21
2.2.1BANCO DE ACUMULDORES ................................................................ 28
CAPTULO 3 DESARROLLO ................................................................................. 31
3.1ESTUDIO TCNICO ...................................................................................... 31
3.1.1CIRCUITO CONTROLADOR (CIRCUITO DE DISPARO) ...................... 33
3.1.2CIRCUITO DISEADO PARA LA SIMULACIN ................................... 35
3.1.3RESULTADOS DE LA SIMULACIN ..................................................... 38
3.2ESTUDIO ECONMICO ................................................................................ 44
3.2.1COSTO DEL INVERSOR ........................................................................ 44
3.2.2USO DEL INVERSOR ............................................................................. 45
3.2.3COMPARACIN DEL INVERSOR CON UNA PLANTA DEEMERGENCIA A GASOLINA ................................................................. 46
3.2.4TAZA DE AMORTIZACIN .................................................................... 46
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CAPTULO 4 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES .................................... 47
4.1CONCLUSIONES .......................................................................................... 47
4.2RECOMENDACIONES .................................................................................. 48
4.3 TRABAJOS FUTUROS ................................................................................... 49
REFERENCIAS....................................................................................................... 50
NDICE DE TABLAS ............................................................................................... 52
NDICE DE IMGENES .......................................................................................... 53
GLOSARIO DE TRMINOS TCNICOS Y SIGLAS .............................................. 55
ANEXOS ................................................................................................................. 57
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CAPTULO 1 INVERSOR DE CORRIENTE ELCTRICA
1.1 DEFINICIN DE INVERSOR DE CORRIENTE ELCTRICA
La funcin principal de los inversores es generar una corriente alterna a partir de
una fuente de corriente continua.
Los inversores se ubican en la electrnica de potencia en el campo de la
conversin de energa elctrica y tienen como funcin principal el generar una
seal sinusoidal con amplitud y frecuencia variable a partir de fuentes CD. De
acuerdo a su fuente de alimentacin los inversores se clasifican en: inversores con
fuente de corriente (CSI) e inversores con fuente de tensin (VSI). Dentro de estos
dos grupos existen varias configuraciones, sin embargo, para el caso de los
accionamientos elctricos de baja y mediana potencia la topologa tpica es el
inversor trifsico de dos niveles en puente completo de la figura 1.1.
Este esquema est formado por un conjunto de seis transistores de potencia, con
6 diodos alimentados por una fuente de tensin de CD.
Figura 1.1. Inverso r trifsico VSI de dos n iveles en p uente co mp leto.
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Cada par de transistor-diodo opera en los estados de corte o saturacin
comportndose como un interruptor bidireccional. A partir del estado de los
interruptores, los terminales de salida de cada rama toman los valores de tensin
que proporcionan los capacitores con respecto a la terminal central de fuente de
CD. La secuencia de conmutacin que siguen los interruptores viene impuesta por
un proceso previo de modulacin que ser el que determine las caractersticas de
la seal de salida, entre ellas: forma, amplitud, frecuencia y contenido armnico.
1.1.1 MODULACIN PWM
Actualmente existe gran variedad de tcnicas de modulacin utilizadas en el control
de inversores trifsicos; una tcnica empleada que deriva sus bases del rea de
las telecomunicaciones es la modulacin por ancho de pulso (PWM Pulse
Width Modulation). Dentro de esta tcnica se han propuesto diversos algoritmos
de modulacin, cada uno pretendiendo mejorar alguna caracterstica dentro del
proceso, por ejemplo: las prdidas por conmutacin, la eficiencia de la conversin
o el contenido armnico presente en la onda de salida. En los accionamientos
elctricos, esta ltima caracterstica es de gran importancia debido a la cantidad de
efectos indeseables que provocan las seales armnicas al atravesar losdevanados del motor; entre ellos se destacan: distorsiones en la onda sinusoidal,
reducciones del factor de potencia, incremento de las prdidas en la mquina,
sobrecalentamientos, vibraciones, reduccin del par til de la mquina y de la vida
til del motor. Entonces de ah que el contenido armnico en la operacin del
inversor puede ser mejorado significativamente realizando una modulacin en
funcin de una seal sinusoidal y propone el algoritmo de modulacin PWM
sinusoidal (SPWM-sinusoidal PWM); a partir de entonces, se inicia el desarrollode los algoritmos PWM modernos.
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1.1.2 INVERSORES MULTINIVEL
Como se mencion en el tema 1.1 el inversor convierte corriente continua a
corriente alterna partir de una fuente de un corriente continua. Entonces, si dicha
fuente de corriente continua se dividiera en varias fuentes de menor valor, sera
posible generar una corriente de salida alterna con niveles de tensin escalonados
utilizando inversores multinivel.
Los inversores multinivel, incluyen un arreglo de semiconductores y fuentes de
tensin, para formar una tensin de salida escalonada. Las conmutaciones de los
semiconductores permiten la suma o resta de las distintas fuentes de corriente
continua, generando una onda de tensin de amplitud variable. As tambin, los
semiconductores trabajan con tensiones ms reducidas. En la figura 1.2 muestra
algunos diagramas esquemticos de inversores con diferente nmero de niveles,
en los cuales, la accin del semiconductor est representada por un interruptor
ideal con distintas posiciones. Un inversor de dos niveles, como el mostrado en la
figura 1.2 (a), genera una salida de corriente con dos valores (niveles) distintos, VC
y Cero, con respecto al terminal negativo de la fuente (0), mientras que un
mdulo de tres niveles genera tres tensiones distintos a la salida (2VC, VC y
Cero), y as sucesivamente. Las distintas posiciones del interruptor ideal seimplementan en la prctica con una cantidad de semiconductores que est en
directa relacin con el nmero de niveles.
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Figura 1.2. Esqu ema de un Inverso r de (a) dos n iveles, (b) tres niveles y (c) m niveles d e [1]
Como se dijo anteriormente, los inversores multinivel constan de pequeas
fuentes de CD, las que son usadas para formar una onda de corriente alterna
(CA) escalonada que se parezca a la onda deseada. Por ejemplo, si se tienen
diez fuentes de CD de magnitudes iguales a 20V cada una, se puede obtener
una onda compuesta de 11 niveles (cinco positivos, cinco negativos y cero, con
respecto a un punto intermedio entre las diez fuentes) que se aproxima a una
onda sinusoidal de amplitud 100V como muestra la figura 1.3.
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Figur a 1.3. Onda de tencin mu lt inivel, usand o 11 niveles de [2]
Con esto se puede concluir, que a mayor nmero de niveles del inversor, mayor es
la cantidad de niveles de la onda, obteniendo menor distorsin armnica.
Algunas caractersticas de los Inversores Multinivel son:
a) Pueden generar tensiones de salida con muy poca distorsin.
b) Las corrientes de entrada son de muy baja distorsin.
c) Generan tensiones de bajo valor de modo comn, protegiendo los motores.
Ms an, utilizando sofisticados mtodos de modulacin, la tensin de
modo comn puede ser eliminado.d) Pueden operar con baja frecuencia de conmutacin.
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1.1.3 INVERSORES CON PUENTE H Y EN CASCADA
De acuerdo con Berton (2003) se puede aumentar el nmero de niveles de los
inversores sin aumentar el nmero de fuentes de tensin, utilizando la
configuracin de los Puentes H. Estos puentes se construyen utilizando dos
inversores multinivel idnticos, de alguno de los tipos mostrados en la figura 1.5.
Esto permite a la carga evitar el retorno directo hacia las fuentes de tensin
continua y elevar el nmero de niveles de n+1 a 2n+1. Una configuracin
generalizada de un puente H como el mencionado se ilustra en la figura 1.4.
(Berton, 2003, p. 10).
Figu ra 1.4. Puente H Generalizado, con n fuentes y m = 2n+1 nivelesde [1]
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Figura 1.5. Conf iguracin de un inversor de pu ente "H" de tres niveles
De acuerdo con Berton (2003) en esta configuracin de puente H (figura 1.5) se
genera una seal de 3 niveles, un tiempo en alto (+VCD) un tiempo en cero y uno
ms en bajo (-VCD), definiremos al tiempo en alto como 1, al tiempo en cero como
0 y al tiempo en bajo como -1 para explicar el funcionamiento de esta configuracin.
Para obtener +VCD, los semiconductores S1 y S4 se ponen en conduccin (1),
mientras que S2 y S3 estn en estado de no conduccin (0). Encendiendo los
semiconductores S2 y S3 y apagando S1 y S4, se obtiene VCD. Con las
combinaciones S1 y S2 o S3 y S4 en estado encendido se obtiene una tensin de
salida de amplitud cero. Cualquier otra combinacin no es permitida pues
provocar un cortocircuito en la fuente CD del mdulo. En la tabla 1.1 se muestra la
tensin de salida Vab.(Berton, 2003, p. 12).
Tabla 1.1. Tensin de salida del puente H y estado d e los semico ndu ctores
S1 S2 S3 S4 Vab
1 0 0 1 1
1 1 0 0 0
0 0 1 1 0
0 1 1 0 -1
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En la figura 1.6 se muestra el diagrama de conexin para un Inversor en Cascada
de dos etapas. Este inversor puede generar tensiones de salida que van desde
2VCD a +2VCD con cinco niveles diferentes (dos en el semiciclo positivo, dos en el
semiciclo negativo y el cero, con escalones iguales a VCD). Para conseguir los
diferentes niveles de tensin se debe utilizar la secuencia de conmutacin que se
muestra en la tabla 1.2, la que se construy siguiendo la secuencia de la sinusoide
de la figura 1.6. Adems, se puede apreciar los diferentes niveles de tensin.
Figura 1.6. Conf iguracin de un inversor d e 2 etapas con d os pu entes H en cascada y 5 niveles de [1]
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Tabla 1.2. Tensin de salida y estado de los semico ndu ctores d e la con figuracin de la figur a 1.6
S1A S2A S1A ' S2A ' S1B S2B S1B ' S2B ' Vac
1 1 0 0 1 1 0 0 0
1 0 0 1 1 1 0 0 1
1 0 0 1 1 0 0 1 1*21 0 0 1 0 0 1 1 1
0 0 1 1 0 0 1 1 0
0 1 1 0 0 0 1 1 -1
0 1 1 0 0 1 1 0 -1*2
0 1 1 0 1 0 0 0 -1
Una forma para aumentar an ms el nmero de niveles sin hacer crecer el
nmero de fuentes de tensin independientes en forma desmesurada, es haciendouso de una configuracin de inversores en cascada, es decir, la aplicacin
combinada de inversores Puente H. La onda de salida del inversor se forma
mediante arreglos de conmutacin en el tiempo de varios puentes Hconectados
en cascada. As, la tensin de salida corresponde a la suma (o tambin diferencia)
de las tensiones de cada uno de los mdulos puente H.
En la figura 1.7 se muestra un la configuracin de un inversor para una fase de
puentes Hen cascada con fuentes independientes, dando como resultado a la
salida una seal de tensin con 9 niveles.
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Figura 1.7. Esta f igura mu estra una fase de un inversor en c onf iguracin pu entes H en cascada, 4 etapasy 9 niveles. La forma de onda c orrespond e a la sal ida de Vac
Los inversores puentes H en cascada usan fuentes CD independientes para
cada etapa, como se muestra en la figura 1.7. Como se dijo anteriormente, la
salida de cada puente Hgenera tres tensiones diferentes, que combinados con
el resto de los puentes H, genera una onda de salida sinusoidal escalonada.
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Las fuentes de CD independientes de cada etapa pueden ser de dos tipos: iguales
o escaladas. Un ejemplo de etapas con fuentes iguales (o no escaladas) se
presenta en la figura 1.7, donde cada puente Hest alimentado por una fuente de
igual magnitud. La opcin de puentes con fuentes escalonadas presenta la ventaja
de poder obtener un mayor nmero de niveles. Por ejemplo, si las fuentes de
CD de la figura 1.7 fueran escalonadas en potencias de dos, se obtendran hasta
31 niveles de tensin, si se opta por un escalonamiento en potencias de tres, se
pueden obtener hasta 81 niveles. Sin embargo, el escalonamiento elegido para las
fuentes no es al azar y requiere de un estudio previo.
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1.2 TOPOLOGA DE LOS INVERSORES
Previamente, a este captulo se han abordado distintas configuraciones de
inversores, con distintos semiconductores, solo falta complementar algunas
topologas adicionales que se pueden realizar, esto se har resaltando la
configuracin con puentes H en cascada debido a la potencia que permite
manejar y la poca distorsin que se logra con este tipo de inversores.
Inversor de puentes en H en Cascada de 2 etapas 5 niveles con Fuente Comn.
Utilizando un esquema similar al del inversor con fuentes independientes (figura
1.6), pero utilizando transformadores en la salida, se puede construir un inversormultietapa con fuente comn. En la figura 1.8 se puede observar el diagrama de
un inversor de este tipo de dos etapas.
Como puede observarse, a diferencia del inversor con fuentes independientes,
ambos puentes estn alimentados desde una misma fuente de CD, adems la
relacin de transformacin de los transformadores es la misma. Este inversor es
equivalente al inversor multietapa en cascada con fuentes independientes, por
lo tanto, es capaz de generar cinco niveles de tensin (dos positivos, dos
negativos y cero). Para generar estos niveles de tensin se debe utilizar la misma
secuencia de combinacin que la mostrada en la tabla 1.2.
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Figura 1.8. Inversor de p uentes H en cascada con fuente comn con ectado a un transform ador y suforma de ond a de [1]
La ventaja de esta configuracin comparando con la que no utiliza
transformadores, es que con solo una fuente de corriente directa se pueden
energizar todos los puentes del inversor. Esta ventaja es ms evidente al aumentar
el nmero de etapas del inversor. Por ejemplo, en un inversor trifsico de cuatro
etapas con fuentes independientes, se necesitan doce fuentes de CD para
construir un inversor de las mismas caractersticas que uno de fuente comn,
que slo utiliza una fuente de CD. No obstante hay que mencionar que la
topologa de fuente comn no es muy prctica en aplicaciones en frecuencia
variable. Por esta razn ella est pensada para la implementacin de
rectificadores, filtros activos de potencia, compensadores estticos de reactivos o
inversores conectados a la red trifsica.
De acuerdo con Ruiz (2012) a causa del escalonamiento en potencia de tres,
las fuentes de tensin que alimentan los sucesivos puentes H de la cadena,
decrecen rpidamente y con ello la potencia que estos puentes entregan a la
carga. De hecho, tal como se ver ms adelante, slo un puente de la cadena
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maneja ms del 80 % de la potencia transferida, por lo que este puente en
particular recibir el nombre de principal. El Principal o tambin llamado Maestro
es el puente Hque est en la parte inferior de la Figura 1.9, ya que justamente
es el que tiene mayor tencin. El resto de los puentes H sern llamados
Auxiliares. El principal, adems, es el que trabaja a menor frecuencia de
conmutacin, mientras que el Auxiliar superior de la cadena presenta las
caractersticas inversas, es decir, la mayor frecuencia de conmutacin, pero el
menor voltaje, lo que es una ventaja en este tipo de topologas (Ruiz, 2012, p 13).
Figura 1.9.Topo loga de un in verso r puen te H en cascada de 4 etapas d e [1]
A continuacin se presenta un resumen de las ventajas y desventajas de este tipo
de topologa:
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Ventajas
Dado que cada puente tiene la misma estructura, permite la modulacin de
cada uno, lo que reduce tiempo y costo para quienes los construyan. Esto
es vlido para inversores con puentes Hno escalados de tensin. De otro
modo, cada mdulo es distinto.
Requiere de menos componentes, ya que no se necesitan diodos ni
condensadores en paralelo con los semiconductores.
A mayor nmero de niveles, menor es la distorsin armnica.
Los Flujos de potencia Activa y Reactiva pueden ser controlados.
Desventajas La cantidad de fuentes de CD independientes ser mayor (si se quiere
controlar flujo Activo y Reactivo, adems esas fuentes deben ser
bidireccionales).
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CAPTULO 2 CARATERISTICAS Y ELEMENTOS QUE COMPONEN A
UN INVERSOR
2.1 ELEMENTOS PRINCIPALES DE UN INVERSOR
Los elementos para el inversor se consideran a partir de topologa y controladores
mencionados en el captulo 1.2 en el cual se busca un diseo simple que cumpla
los objetivos del proyecto.
Se plantea una topologa sencilla de un puente H por fase, con un circuito
de disparo a partir de transistores, controlados por configuraciones RLC, paracontrolar a los dispositivos semiconductores de conmutacin.
A continuacin se explican los elementos principales.
Banco de acumuladores: Es la fuente de energa que posibilita la entrega
corriente directa y absorcin de potencia activa.
Inversor: Incorpora configuraciones de los semiconductores de conmutacin
(MOSFESTs) junto a un disipador de calor y sus elementos, y los circuitos
de alimentacin y control.
Circuito de control, este es el circuito de disparo de los semiconductores de
conmutacin, que los disparar por tiempos para lograr los pasos de la
onda sinusoidal y el desfasamiento de 120 entre fases si es que se trata de
un inversor trifsico. Puede emplear los siguientes mtodos para procesar
las variables y determina las acciones de control; por PWM, temporizadores
discretos, temporizadores operacionales, o un micro controlador conectado
a circuitos de adaptacin de seales anlogas y digitales.
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Transformador: El transformador eleva la tensin hasta el nivel de la red y
a su vez acta de filtro junto a una bobina, puede llevar un banco de
capacitores.
Protecciones: protecciones termo magnticas para el control y el inversor.
Selector de conexin a la salida por fases: en este proyecto se tendrn dos
conexiones a la salida; delta paralela y estrella paralela.
2.1.1 CIRCUITO CONTROLADOR DEL INVERSOR
El puente inversor trifsico de tensin comenz a desarrollarse a partir de la
aparicin de los tiristores y adquiri una masiva difusin a partir del desarrollo de
dispositivos de conmutacin de potencia con encendido y apagado controlado
como son MOSFETs, IGBTs y GTOs, por mencionar los principales.
Paralelamente y acompaando el desarrollo de los dispositivos de potencia se
fueron desarrollando distintas estrategias de modulacin PWM desde mediados de
la dcada del 60. La gran variedad de mtodos propuestos en los ltimos 40 aos
pueden agruparse en dos grandes lneas:
Modulacin por programacin de los ngulos de conmutacin.
Modulacin basada en una seal portadora.
Los mtodos de modulacin basados en onda portadora pueden operar con
frecuencia de conmutacin alta y son ms simples de disear e implementar. La
idea bsica es que en cada ciclo de portadora, el promedio de la tensin generadareproduzca la referencia deseada. En 1964 Schnung y Stemmler desarrollaron el
mtodo PWM sinusoidal o mtodo subarmnico. En este mtodo se compara la
tensin de referencia de cada fase con una portadora triangular y los puntos de
interseccin determinan los instantes de conmutacin de las columnas del inversor.
Este mtodo de modulacin ha sido muy empleado y analizado durante la dcada
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de los 70, demostrndose que mientras la relacin entre portadora y fundamental
fuese grande se mantena una relacin lineal entre la referencia y la tensin
fundamental a la salida del inversor, y las componentes armnicas se concentran
en bandas laterales alrededor de la portadora y sus mltiplos.
2.1.2 MODULACIN POR ONDA PORTADORA Y POR HISTRESIS
Por onda portadora:
La modulacin basada en una portadora es la forma de modulacin vigente ms
sencilla. Se refiere a la tcnica de usar una onda sinusoidal pura (SPWM, del
ingls: Sinusoidal Pulse-Width Modulacin) o sinusoidal distorsionada como seal
moduladora, que se compara con una onda triangular para entregar las seales de
disparo.
En la seccin superior de la Figura 2.1 se muestra la forma de obtener los pulsos
de disparo a partir de una moduladora y una portadora. La parte inferior muestra la
tensin de salida de una fase, y su componente fundamental, que se encuentra
montada sobre una componente continua de valor VDC/2. Al tomar la tensin entre
dos fases se elimina la componente continua.
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Figura 2.1. Obtencin de d isparos y forma de o nda d e [3]
Para esta tcnica de modulacin se define la razn de modulacin M, que
corresponde al cociente entre la amplitud de la seal moduladora, y la mitad de la
tensin de entrada continua.
Por histresis:
La modulacin por histresis es la forma de modulacin ms sencilla. De acuerdo
con Vargas (2010) pertenece al grupo de los llamados Controladores de
Estructura Variable. La tcnica consiste en permitir a la corriente de salida oscilardentro de un lmite (alcance) predefinido de error respecto a la referencia. Las
conmutaciones ocurren al alcanzarse el borde de dichos lmites (Vargas,
2010, p 13). En la figura 2.2 se grafica el principio de operacin de la
modulacin por histresis, adems se muestra la forma de onda de la corriente real
y de referencia, y de la tensin de salida.
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Esta tcnica, al ser de lazo cerrado, tiene algunas ventajas:
Muestra una alta precisin en el seguimiento de una corriente de
referencia.
Ofrece proteccin contra corrientes elevadas y sobrecarga.
Presenta un excelente comportamiento dinmico.
Se compensa automticamente en caso de ocurrir cambios de parmetros
en la red. Pese a esto, es una tcnica poco usada actualmente por sus
importantes desventajas:
Introduce armnicos dispersos en el espectro de frecuencia. Esto vuelve
difcil filtrarlos e impide cumplir con normas.
Al no tener un control sobre la frecuencia de conmutacin, las perdidas por
este concepto son muy variables.
Figura 2.2.Obtencin de disparos y form a de ond a de la tensin de [3]
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2.2 TRANSFORMADORES Y TIPO DE CONEXIONES
Encontramos en los transformadores su clasificacin por las siguientes
caractersticas:
Por su aplicacin:
Elevador
Reductor
Aislamiento (paso 1:1)
Por su nmero de fases
Transformadores monofsicos
Los transformadores monofsicos, tanto de columnas como acorazados, se usan
en lneas de media tensin para reducir la tensin, en lneas de media tensin de
13,2 kV a baja tensin de 0.22kV. Se suelen encontrar, de pequea potencia en
soportes de lneas elctricas rurales. Tambin se los encuentra, en potencias altas,
para constituir bancos trifsicos, con tres de ellos, en sistemas de distribucin
Transformadores TrifsicosEl trifsico de columnas es el ms usado. Se encuentra desde pequeas potencias
(10 kVA) hasta muy grandes (150 MVA). Como elevadores de tensin en las
centrales, reductores en las subestaciones, de distribucin en ciudades, barrios,
fbricas, etc.
Transformadores Hexafsicos
El hexafsico (6 fases en el secundario) se diferencia, constructivamente, deltrifsico, en que tiene una derivacin a la mitad de los devanados secundarios, y
luego por supuesto, en la conexin entre ellos. Son usados para la rectificacin
industrial y en traccin elctrica: subterrneos, tranvas, etc.
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Por la forma del ncleo
Transformador monofsico de columnas
El transformador a columnas posee sus dos bobinados repartidos entre dos
columnas del circuito magntico. En la figura se trata de un transformador
monofsico dnde el circuito magntico se cierra por las culatas superior e inferior.
Figur a 2.3. Transfo rmad or mono fsico tip o ventan a
Transformador monofsico acorazado
Se le denomina acorazado cuando el ncleo cubre parcialmente el embobinado
del transformador, en el caso de un circuito acorazado, como en el de los
transformadores, el flujo que se produce en la columna central, se divide por las 2
columnas laterales y por tanto, la Reluctancia equivalente de las ramas en paralelo
es la inversa de la suma de las inversas
Debido a la construccin geomtrica (E-I) de las chapas magnticas en los
transformadores acorazados, en estos circuitos se pueden hacer combinaciones
serie-derivacin, combinacin interesante para realizar clculos.
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Figura 2.4. Transformado r mon ofsico tip o seco aco razado
Transformador trifsico de columnas
La diferencia con el transformador monofsico tipo columnas es que este tiene
tres columnas, y su aplicacin es para una lnea trifsica.
Figur a 2.5.Transfo rmad or trifsico tipo sec o de tres col um nas
La diferencia con el transformador monofsico tipo acorazado es que este tiene
tres secciones, y su aplicacin es para una lnea trifsica.
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Figura 2.6.Transformado r trifsico tipo co lum na
Por su ncleo (Por el ncleo sobre el cual van las bobinas) Ncleo de Aire
Ncleo de Hierro
Ncleo Variable
Por el tipo de conexin (relacionada con las fases)
Deltaestrella -
Deltadelta -
Estrellaestrella -
Estrelladelta -
DeltaT (Scott) -T
Por su tipo de enfriamiento
Tipo AA
Transformador tipo seco con enfriamiento propio. No contiene aceite ni otros
lquidos para enfriamiento, el aire es tambin el medio aislante que rodea el ncleo
y las bobinas. Por lo general son fabricados con capacidades inferiores a 2000
kVA y voltajes menores de 15 kV.
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Tipo AFA
Transformador tipo seco con enfriamiento por aire forzado. Se emplea para
aumentar la potencia disponible de los tipo AA y su capacidad se basa en la
posibilidad de disipacin de calor por medio de ventiladores o sopladores.
Tipo AA/FA
Transformador tipo seco con enfriamiento natural y con enfriamiento por aire
forzado. Es bsicamente de tipo AA al que se le adicionan ventiladores para
aumentar su capacidad de disipacin de calor.
Tipo OATransformador sumergido en aceite con enfriamiento natural. En stos, el aceite
aislante circula por conveccin natural dentro de un tanque que tiene paredes lisas
o corrugadas, o bien provistos con tubos radiadores. Esta solucin se adopta para
transformadores de ms de 50 kVA con voltajes superiores a 15 kV.
Tipo OA/FA
Transformador sumergido en lquido aislante con enfriamiento propio y con
enfriamiento por aire forzado. Es bsicamente un transformador OA con la adicin
de ventiladores para aumentar la capacidad de disipacin de calor en las
superficies de enfriamiento.
Tipo OA/FOA/FOA
Transformador sumergido en lquido aislante con enfriamiento propio/con aceite
forzado - aire forzado/con aceite forzado/aire forzado. Con este tipo de
enfriamiento se trata de incrementar el rgimen de operacin (carga) de
transformador tipo OA por medio del empleo combinado de bombas y ventiladores.
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El aumento de la capacidad se hace en dos pasos: en el primero se usan la mitad
de los radiadores y la mitad de las bombas, con lo que se logra aumentar 1.33
veces la capacidad del tipo OA; con el segundo paso se hace trabajar la totalidad
de los radiadores y bombas con lo que se logra un aumento de 1.667 veces lacapacidad del OA. Se fabrican en capacidades de 10 000 kVA monofsicos 15000
kVA trifsicos.
Tipo FOA
Transformador sumergido en lquido aislante con enfriamiento por aceite forzado y
de aire forzado. ste puede absorber cualquier carga de pico a plena capacidad
ya que se usa con los ventiladores y las bombas de aceite trabajando al mismo
tiempo.
Tipo OW
Transformador sumergido en lquido aislante con enfriamiento por agua. En ste,
el agua de enfriamiento es conducida por serpentines, los cuales estn en contacto
con el aceite aislante del transformador y se drena por gravedad o por medio de
una bomba independiente. El aceite circula alrededor de los serpentines por
conveccin natural.
Tipo FOW
Transformador sumergido en lquido aislante con enfriamiento de aceite forzado y
con enfriadores de agua forzada. Este tipo es prcticamente igual que el FO, slo
que el cambiador de calor es del tipo agua-aceite y se hace el enfriamiento por
agua sin tener ventiladores.
Hablando de los transformadores de potencia, podemos decir que una disipacin
de tan slo 0,5% de la potencia de un gran transformador genera enormes
cantidades de calor y es importante considerarlo, ya que ste es un factor clave en
el envejecimiento de los materiales aislantes cuando la temperatura pasa de ciertos
lmites, por lo que se hace necesario el uso de dispositivos de refrigeracin
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Por su aplicacin en potencia
Transformadores tipo subestacin de potencia (MVA) Elevadores.
Transformadores tipo subestacin de potencia (MVA) Compensadores.
Transformadores tipo distribucin (KVA) Reductores.
Transformadores tipo subestacin cliente (KVA) Reductores.
El transformador de corriente elctrica elegido para este inversor es un banco de
tres trasformadores monofsicos tipo seco acorazados de 2 kVA cada uno, debido
a que resulta ms sencillo el cambio de conexin trifsica entre ellos, a diferencia
de un trasformador trifsico. Por otro lado en caso de que alguna bobina de uno de
los transformadores presente alguna falla, la reparacin o sustitucin de esta es mssencilla, porque solo se sustituye un transformador, en este aspecto tambin es ms
econmico. Adems mientras se sustituye el transformador daado o se repara, se
puede seguir teniendo energa elctrica con ciertas condiciones y limitaciones
usando las configuraciones, estrella o delta abiertas.
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2.2.1 BANCO DE ACUMULDORES
Acumuladores de ciclado profundo
En este punto se describirn los acumuladores ms adecuados para el uso de este
inversor basados en la disponibilidad de ellos en el mercado, evitando las tecnologasque an estn en desarrollo. Las caractersticas de los acumuladores de ciclado
profundo, son ptimos para este tipo de herramientas elctrico-electrnicas. Los
acumuladores de ciclado profundo estn especialmente diseados para soportar
un alto nmero de descargas profundas, y ser recargados sin afectar su
desempeo, a diferencia de los acumuladores automotrices, que al ser sometidos
a condiciones de descargas profundas, pierden ms rpidamente su capacidad.
Bsicamente, un ciclo se describe como una descarga y una carga del
acumulador, no importando el porcentaje de descarga que haya sufrido.
Estos acumuladores son utilizados principalmente, para proveer energa elctrica
a equipos que no tienen un sistema de generacin propia, como pueden ser:
pequeos vehculos elctricos, motores troleadores, luces, equipos de navegacin
o de comunicacin, casas mviles, sistemas de energa solar, entre otros.
Los acumuladores de ciclado profundo estn construidos con materiales activos
de alta densidad con aditivos especiales, adems de aleaciones en sus placas que
cumplen con el propsito de lograr un mejor desempeo en sus ciclos de carga y
descarga profunda. Con esto disminuyen el reblandecimiento y desprendimiento
del material activo de las placas positivas, prolongando la vida del acumulador
sometido a dichas condiciones.
Diferencias entre los acumuladores de Ciclado Profundo y los acumuladores de
arranque (automotrices).
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Tabla 2.1. Tabla comp arativa ente acumu ladores (LTH) de cic lado profund o y acumuladoresautomotr ices de [9]
Acumuladores de ciclado profundo Acumuladores de arranque
(Automotrices)
Fabricados con aleaciones deAntimonio (Sb).
Fabricados con aleaciones de Calcio
(Ca).
Estn diseados para recibir descargasprofundas de hasta el 70% de sucapacidad.
Estn diseados para recibir descargasde hasta un 10-15% de su capacidad.
Son diseados para proporcionarpequeas cantidades de corriente porvarias horas.
Estn diseadas para proporcionargrandes cantidades de corriente enpocos segundos.
Una vez terminado el tiempo de vida til de estos acumuladores, pueden ser
reciclados y reutilizados. Esto es realizado por la misma empresa proveedora, para
minimizar los efectos altamente contaminantes que los materiales que componen a
estos acumuladores presentan.
El nmero y configuracin de acumuladores de ciclado profundo, se determina
partir de la corriente por hora que demandara la carga al inversor, entonces
se observa la siguiente tabla;
Tabla 2.2. Tabla de tiempo de descarg a de acumulado res (LTH) de ciclado pro fund o de [9]
Carga [A] 2 5 10 15 20 25Modelo delacumulador
Tiempo dedescarga en
43.1 16.1 7.5 4.8 3.4 2.7 27/MDC-160 min
Tiempo de
descarga en
39 14.7 6.7 4.3 2.9 2.3 27 M/DC-140 min
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Acumuladores AGM y de GEL
Esta resulta ser otra opcin muy adecuada para la alimentacin de este inversor, ya
que su eficiencia (ciclos de descarga profunda) comparada con los acumuladores de
antimonio (ciclado profundo LTH) es mayor, adems su peso y tamao resulta mucho
menor a comparacin de los acumuladores de antimonio.
En estos acumuladores AGM (Absorbent Glass Mat) estas bateras, el electrlito se
absorbe por capilaridad en una estera en fibra de vidrio situada entre las placas. Los
acumuladores AGM resultan ms adecuadas para suministrar corrientes muy
elevadas durante perodos cortos como en el arranque de motores en comparacin
con los acumuladores de GEL. Por otro lado tiene un nmero menor de ciclos dedescarda que los acumuladores de GEL.
En los acumuladores de GEL, el electrlito se inmoviliza en forma de GEL. Los
acumuladores de gel tienen por lo general una mayor duracin de vida y una mejor
capacidad de ciclos que los acumuladores AGM.
Ambos tipos de acumuladores AGM y de GEL muestran una baja capacidad de auto
descarga, ya que pueden permanecer un periodo moderadamente largo para un
acumulador comn sin necesidad de cargar, adems tienen una gran capacidad de
recuperacin a descargas prolongadas o profundas esto siempre y cuando se
utilicen segn sus instrucciones de uso.
El uso de este tipo de acumuladores es el ms adecuado y que se debera de ser
elegido de no ser por su costo de ellos. Adems se tiene dificultad de encontrarlos
fcilmente en el mercado, generalmente la nica forma de adquirirlos es a travs dela importacin de los mismos. En el supuesto caso de elegir un modelo de estos
acumuladores seria especficamente el acumulador: BAT412800080 de la marca
Vitron Energy el cual suministrara la energa suficiente para que el inversor alimente
a la carga pretendida.
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CAPTULO 3 DESARROLLO
3.1 ESTUDIO TCNICO
Inversor trifsico requerido es de 127 V de fase a neutro y 220 V en conexin
estrella de fase a fase, y de 220 V en conexin delta entre fases a 60 Hz.
El inversor estar compuesto por un circuito controlador, puentes H formados por
MOSFETs y transformadores monofsicos. Cada fase deber tener un circuito
controlador especfico para proporcionar la frecuencia de disparo y el
desfasamiento de 5.55 ms entre fases.
Por las caractersticas de los MOSFETsla seal de salida no puede ser mayor a
Vcc, (tensin del banco de acumuladores), entonces
= = 24
Y la tensin mnima de disparo de MOSFET es de +10 V y -10 V por lo que la seal
del controlador debe ser igual o mayor que la tensin mnima de disparo. De esto se
deriva en el diseo de un circuito de control, que proporcione a la salida una seal
de pulsos con la amplitud suficiente para el disparo de los MOSFETs.
Debido a esta caracterstica de los circuitos de control, estos circuitos son
bastante complejos como ya se los menciono en el tema 2.1, adems de descartar
desde el comienzo el control por PWM, ya que no es el adecuado para manejar
los niveles de corrientes y tensiones deseados.
Por lo anteriormente planteado se decide disear el circuito de disparo con
transistores NPN 2N3055 que nos pueden proporcionar una seal de pulsos con
suficiente amplitud para activar a los MOSFETs.
Dicha seal de disparo deber mantenerse constante y proporcionar una seal con
las siguientes caractersticas:
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Tabla 3.1. Especific acin de la seal de dis paro
SEAL DE CONTROL DEL MOSFET TIEMPO DEL PULSO
TH10 V 8.33 ms
de esta forma tenemos que nuestro periodo es de 16.66 ms
= + = 8.33 + 8.33 = 16.66
= 16.66 = 2
= 1
16.66
= 60
dnde:
= es el periodo
= tiempo en alto
= tiempo en cero
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3.1.1 CIRCUITO CONTROLADOR (CIRCUITO DE DISPARO)
Este es el circuito de disparo diseado para una fase del inversor
Figura 3.1.Circuito de disparo ut i l izando s emicondu ctores 2N3055 como interruptores.
En la figura 3.2 se ilustra la diferencia (dif=) entre los cursores A1 y A2 que
est justo en donde comienza su tiempo en alto y donde termina.
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Figura 3.2.Forma de on da del circu ito de disp aro
En la figura 3.3 se ilustra la diferencia (dif=) entre los cursores A1 y A2 que
est justo en donde comienza su tiempo en 0 y donde termina.
Figura 3.3. Esta f igura muestra los m il isegundos de diferencia entre los cu rsores A1 y A2
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3.1.2 CIRCUITO DISEADO PARA LA SIMULACIN
El inversor deber suministrar una tensin sinusoidal trifsica, adecuada para alimentar
dos motores jaula de ardilla trifsicos, uno de ellos de la capacidad de 1 HP y el otro de
2 HP
Figur a 3.4. Esta imag en m uestra el circu ito in verso r dis eado
Este es parte del circuito diseado, conectando los circuitos de disparo de pulso, los
MOSFETs en configuracin puente H y conectando las bobinas primarias de los
trasformadores.
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Circuito diseado completo (incluyendo transformador), el transformador se
encuentra en conexin estrella, por lo que es selector manual por fases indicara
conexin estrella.
Figura 3.5. Circuito diseado c om pleto con salida en estrella
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Parte del circuito diseado (incluyendo transformador), en la imagen 3.6 se muestra
solo la conexin de los MOSFETs en configuracin puente H conectado al
transformador. El transformador se encuentra en conexin delta, por lo que es
selector manual por fases indicara conexin delta.
Figur a 3.6. Circu ito dis eado mostr ando la salid a en conexi n delta de los transfo rmad ores
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3.1.3 RESULTADOS DE LA SIMULACIN
Simulacin realizada con el software OrCad Pspice 16.0
La forma de onda a la salida de los MOSFET ses la que ilustra la figura 3.7, se
observa que sus niveles mximos de tensin son de 24 V y -24 V alternadamentecada 8.33ms, es decir, que esta es la forma de onda que entra en el lado secundario
de los transformadores para posteriormente obtener al lado secundario la forma de
onda deseada. Observando la figura horizontalmente se aprecia en el eje vertical la
escala de nivel de tensin, y en el eje horizontal se observa la escala de tiempo.
Figura 3.7. Forma de o nda entre un puente H
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Como se ha mencionado en la tabla 3.1 el tiempo del pulso mayor a 10 V debe ser
de 8.33 ms y el tipo del pulso menor a 10 V tambin debe ser de 8.33 ms, haciendo
uso de la herramienta denominada Toggle Cursor en las dos siguientes imgenes
se muestra ambos tiempos referenciados por los cursores A1 y A2.
Figura 3.8. Tiempo del puls o en alto
Figura 3.9. Tiempo d el pulso en cero
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En la figura 3.10 se muestra las tres ondas a la salida de los transformadores por
el lado de alta tensin, se observa la caracterstica de forma de onda no es
sinusoidal, sin embargo proporciona la tensin requerida.
Figura 3.10. Formas d e onda d e tensin de fase a neutro a la sal ida del inv ersor
La tensin de fase a neutro en la conexin estrella debe ser del orden de 128 V de
esta forma la tensin entre fases debe ser 3128V = 220 V.
Figura 3.11. Este recuadro m uestra la tensin RMS que marcan los cursores A1 y A2 que es 129 V
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Al colocar el selector manual en la posicin de conexin estrella, la seal de tensin
entre fases es la que muestra la figura 3.12, en el cual se puede observar que la
forma de onda tampoco es completamente sinusoidal, sin embargo tambin
proporciona los niveles de tensin requeridos.
Figura 3.12. Forma de on da de tensin entre fases (conexin estrella)
La tensin RMS entre fases, usando la conexin estrella debe ser 220 V. En el
caso de este inversor la tensin en RMS medido entre fases es de 223 V, porlo que este valor es aceptable ya que se encuentra dentro del parmetro de +-
10% de la tensin especificada.
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En la figura 3.13 se observa cmo se mide la tensin RMS de la forma de onda
mostrada en la figura anterior 3.12. La tensin que se muestra en el recuadro Probe
Cursor en la figura 3.13 es indicada por (dif=) que es 223.596 V
Figura 3.13. El recuadro su per ior mu estra la tensin RMS en el cu rsor A 1
En la figura 3.14, muestra la forma de onda de una fase en conexin estrella, medida
de fase a neutro. Se observa que en el recuadro Probe Cursor el cursor A1 se
encuentra en el tiempo: 547.24 ms de la simulacin indicando una tensin de
2.2862 V y el cursor A2 se encuentra en el tiempo: 530.641 ms de la simulacin
indicando una tensin de -978.185 mV, las tensiones son muy pequeas por lo
que se las considera 0. La diferencia entre tiempos de los cursores A1 y A2 es de
16.593 (se puede observar en el recuadro Probe Cursor que indica (dif=)) entones el
periodo es de 16.593 ms que es igual a 60.2 Hz.
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Figura 3.14.En el recuadro m uestra la diferencia de t iempo entre los curso res A1 y A 2 que es de 16.59ms
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3.2 ESTUDIO ECONMICO
3.2.1 COSTO DEL INVERSOR
Este es el costo del inversor con precios de mayo del 2014
CONCEPTO CANTIDAD CARACTERISTICA $ M.N. TOTAL$M.N.
COTIZACI N PORMAYOREO *
CANTIDAD PRECIOUNITARIO
TOTAL$M.N.
Acumulador de
ciclo profundo4 LTH 12V 1630 6520 6520
Resistenciasvarias
220 220 220
Transistor NPN 6 2N3055 47 282 2N3055 (100 artculos) 6 29.45 177Capacitoresvarios
360 360 360
MOSFET 16 IRFP250 56 896 IRFP250 (100 artculos) 16 21 361Trasformadormonofsico 24 a127 V
3 2kVA 1130 3390 Transformadores (9artculos)
3 990 2970
Inductores 120 120 120Materialesvarios para
850 850 850
TOTAL 12638 TOTAL 11578*
De acuerdo con los precios desglosados en esta hoja el costo del inversor es de $12638.00 pesos.
Nota (*) los precios aqu mostrados son recuperados de cotizaciones en diversas pginas de artculos electrnicos adems de
empresas proveedoras de transformadores especiales. Todos estos precios fueron consultados en la fecha de MAYO 2015
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3.2.2 USO DEL INVERSOR
El pronstico de uso del inversor diseado en este proyecto es: utilizarlo dos veces
por semana durante 3hrs alimentando a una carga que demanda 15 amperes en
cada hora lo que resulta en 45 amperes-hora.
El tiempo de descarga entre los cuatro acumuladores es de 9.5 horas por lo que
se descarga 31.5% cada vez que es utilizado. Esto de acuerdo conANEXO E la
especificacin del fabricante (LTH), su gravedad de desgaste es de 1.225 donde
el 0% de carga equivale a 1.140 de desgaste y el 100% de carga equivale a 1.280,
segn estos valores el banco de acumuladores se encuentra en un parmetro de
desgaste de uso muy bueno, por consiguiente su tiempo de vida es de 3500hrs de
vida.
El desgaste por uso real se determina a partir del tiempo de filtrado del aceite de un
transformador de 500 kVA, el cual contiene 730 litros.
El filtro tiene una capacidad de filtrar 500 litros por hora, lo que implica que le tomara
87 minutos para el filtrado de 730 litros de aceite.
Dado que se pronostic su uso durante 3 horas (180 minutos), esto significa que el
inversor tiene carga para filtrar un transformador ms de similares caractersticas750 litros (500 kVA), implicando 2 horas 54 minutos (174 minutos) entre los dos
trasformadores
La cantidad de recarga que necesita un acumulador se pude determinar midiendo la
gravedad especfica del electrolito con un hidrmetro. La siguiente tabla muestra el
porcentajede cargaaproximado de un acumulador.
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Tabla 3.2 Tabla de gravedad de descarga del acum ulado r (LTH) de [9].
Estado de carga aproximado
Estado Porcentaje de carga Gravedad especifica
Cargado 100% 1.28070% 1.225
50% 1.200
25% 1.170
Descargado 0% 1.140
3.2.3 COMPARACIN DEL INVERSOR CON UNA PLANTA DE EMERGENCIAA GASOLINA
Comparando con la opcin de una fuente secundaria o externa como una planta de
emergencia a gasolina, se tiene que, dicha planta gastara 10Lt de gasolina por
semana, entonces se tiene que comprar 10 litros de gasolina por semana que es
igual $120.00 M.N. (considerando el precio de la gasolina a $12.00 M.N por litro).
Al mes habremos invertido $480.00, en 8 meses habremos invertido en gasolina
$3,840.00, se tiene que, sumando el costo de una planta de emergencia ($9,300.00)
a lo invertido en gasolina durante 8 meses tenemos una cantidad de $13,140.00
pesos. De acuerdo con el tema 3.2.1 el inversor tiene un costo de $12,638.00.
Restando el costo del inversor a lo invertido en una planta de emergencia usndola
peridicamente durante 8 meses, habremos sobrepasado el costo del inversor por
$457.00.
3.2.4 TAZA DE AMORTIZACIN
De acuerdo al estudio econmico y en base al costo total del inversor, que es de
$12,638.00 pesos en contraste la planta de emergencia de similar potencia que
tiene un costo de $9,300.00 el proyecto si es viable ya que al cabo de 8 meses
con el gasto de gasolina, se terminara de recuperar el costo de este inversor,
siempre y cuando se respeten los tiempos de carga y descarga de los
acumuladores as como la demanda que suministre.
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CAPTULO 4 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
4.1 CONCLUSIONES
Se dise un inversor de corriente elctrica con conexin por fases a la salida, con
las opciones de conexin estrella y delta. Este inversor tiene la caracterstica de
ser robusto pero compacto y de alto rendimiento. Se realiz la simulacin con
resultados exitosos en el software OrCad Pspice 16.0.
El inversor consta de tres circuitos de disparo, secuenciados por arreglos RLC para
desfasarlos 120 elctricos entre ellos, estos controlan la conmutacin de 3 puentes
H de MOSFETs que a su vez, a la salida de cada uno est conectada a un
transformador monofsico usando como elevador, con una relacin de
transformacin de 1:9.2 y derivacin central del lado de alta tensin. Dicho
transformador proporciona una seal de 220 V RMS entre fases. Y con una
potencia total del banco de transformadores de 4 kW. Estos datos se obtuvieron de
la simulacin virtual del inversor.
Este inversor por ser diseado con elementos estticos no requiere mayores
cuidados, que el mantenimiento ordinario de una tarjeta electrnica.
Se concluye como viable el inversor diseado en este proyecto, ya que el estudio
econmico as lo demuestra, por lo que se concluye este proyecto como finalizado
satisfactoriamente.
Se concluy con la mayora de los objetivos exceptuando uno, que es el controlar
la potencia segn lo demande la carga, ya que no se logr concluir el circuito de
control, debido a su complejidad sin embargo es contemplado para realizarse como
trabajo futuro.
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4.2 RECOMENDACIONES
Recomendaciones para el inversor en caso de realizarse el prototipo real;
Cuidar los tiempos de carga y descarga del mismo, quizs implementandouna alarma de nivel de carga en los acumuladores.
Realizar el mantenimiento de los acumuladores cono lo indica el
fabricante.
Por el lado del inversor no se debe utilizar con cargas que sobrepasen
los 4 kW.
Verificar que los acumuladores podrn proporcionar la corriente suficiente
hacia la carga.
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4.3 TRABAJOS FUTUROS
Circuito de control inconcluso
El circuito de control tiene como objetivo dosificar el suministro de corriente que
proporcione el inversor a la carga, segn lo demande la propia carga. Si se controla
la corriente, por consecuencia se controla tambin la potencia, dando como resultado
un menor desgaste en todos sus componentes del inversor.
Al tener menor desgate de los componentes, se aumenta el tiempo de vida til del
inversor en general, adems al disminuir cantidad de calor a disipar, puede reducir
el tamao del inversor en su diseo, porque se implementaran disipadores de calor
ms pequeos.El circuito de control no se llev acabo en este trabajo debido a su complejidad y al
tiempo que lleva el diseo de un circuito electrnico como este.
Posibles implementaciones
Ya que el proyecto es altamente viable se pretende realizar el prototipo real.
Como se habl en el planteamiento del problema este inversor podra serempleado en mantenimiento a subestaciones elctricas proporcionando la
suficiente energa elctrica por un periodo lo suficientemente largo para
terminar dicha actividad (limitado a 3 horas) teniendo en cuenta que los
acumuladores no lleguen a una descarga muy profunda.
Tambin puede ser empleado con taladros, sopladoras, lmparas o algn tipo
de carga (herramienta) que no est prevista en una operacin siempre y
cuando no sobrepasen los 4kW de potencia as como en labores domsticas
o como planta de emergencia, con todo lo que la palabra emergencia
conlleva.
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REFERENCIAS
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multinivel Tesis de licenciatura no publicada, Universidad Nacional del Callao,
Lima Per.
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Trifsico orientado a redes de distribucin Tesis de licenciatura publicada,
Universidad de chile, Santiago de Chile.
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librera.
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Monterrey, N. L. Mxico.
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[10] Empresa Victron Energry (2014) Para conocer las especificaciones delos
acumuladores de gel y AMG Data sheet Bateras Gel y AMG Victron Energy
Revisada en (Noviembre del 2014). Recuperada de
http://www.victronenergy.com/upload/documents/Datasheet-GEL-and-AGM-
Batteries-EN.pdf
[11] Empresa Victron Energry (2014) Para conocer el precio del acumulador
BAT412800080 $ 4,241.20 Revisada el (11 de Noviembre del 2014) Recuperada
de http://www.victronenergy.com/upload/documents/ WEB_Pricelist-Victron-2014-
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[12] Chapman S. J. (2012) Electric Machinery FundamentalsSingapur, McGraw
Hill intternational
[13] Pulido A. M. (2006) calculo fcil de transformadores y autotransformadores
monofsico y trifsicos de baja tensin. Mxico, Alfaomega Marcombo.
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Tesis de licenciatura publicada, Pontificia Universidad Catlica de Chile, Santiago
de Chile.
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NDICE DE TABLAS
Tabla 1.1. Tensin de salida del puente H y estado de los semiconductores .......... 7
Tabla 1.2. Tensin de salida y estado de los semiconductores de la configuracin
pasada .................................................................................................................... 9
Tabla 2.1. Tabla comparativa ente acumuladores de ciclado profundo . y
acumuladores automotrices de [9]..29
Tabla 2.2. Tabla de tiempo de descara de acumuladores de ciclado profundo de
[9] .......................................................................................................................... 29
Tabla 3.1. Especificacin de la seal de disparo ................................................... 32
Tabla 3.2 Tabla de gravedad de descarga del acumulador de [9]. ........................ 46
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NDICE DE IMGENES
Figura 1.1. Inversor trifsico VSI de dos niveles en puente completo. ..................... 1
Figura 1.2. Esquema de un Inversor de (a) dos niveles, (b) tres niveles y (c) m
niveles ...................................................................................................................... 4
Figura 1.3. Onda de tencin multinivel, usando 11 niveles ...................................... 5
Figura 1.4. Puente H Generalizado, con n fuentes y m = 2n+1 niveles................. 6
Figura 1.5. Configuracin de un inversor de puente "H" de tres niveles ................... 7
Figura 1.6. Configuracin de un inversor de 2 etapas con dos puentes H en
cascada y 5 niveles .................................................................................................. 8
Figura 1.7. Esta figura muestra una fase de un inversor en configuracin puentes H
en cascada, 4 etapas y 9 niveles. La forma de onda corresponde a la salida de
Vac ......................................................................................................................... 10
Figura 1.8. Inversor de puentes H en casca con fuente comn conectado a un
transformador y su forma de onda .......................................................................... 13
Figura 1.9.Topologa de un inversor puente H en cascada de 4 etapas ............... 14
Figura 2.1. Obtencin de disparos y forma de onda ............................................... 19
Figura 2.2.Obtencin de disparos y forma de onda de la tensin ........................... 20
Figura 2.3. Transformador monofsico tipo ventana .............................................. 22Figura 2.4. Transformador monofsico tipo seco acorazado .................................. 23
Figura 2.5.Transformador trifsico tipo seco de tres columnas .............................. 23
Figura 2.6.Transformador trifsico tipo columna .................................................... 24
Figura 3.1.Circuito de disparo utilizando semiconductores 2N3055 como
interruptores ......................................................................................................... 333
Figura 3.2.Forma de onda del circuito de disparo .................................................. 34
Figura 3.3. Esta figura muestra los milisegundos de diferencia entre los cursores
A1 y A2 ................................................................................................................... 34
Figura 3.4. Esta imagen muestra el circuito inversor diseado .............................. 35
Figura 3.5. Circuito diseado completo con salida en estrella ................................ 36
Figura 3.6. Circuito diseado completo con salida en delta ................................... 37
Figura 3.7. Forma de onda entre un puente H........................................................ 38
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Figura 3.8.Tiempo del pulso en alto ....................................................................... 39
Figura 3.9. Tiempo del pulso en cero ..................................................................... 39
Figura 3.10. Formas de onda de tensin de fase a neutro a la salida del inversor. 40
Figura 3.11. Este recuadro muestra la tensin RMS que marcan los cursores A1 y
A2 que es 129 V .....................................................................................................40
Figura 3.12. Forma de onda de tensin entre fases (conexin estrella) ................. 41
Figura 3.13. El recuadro superior muestra la tensin RMS en el cursor A1 ........... 42
Figura 3.14. En el recuadro muestra la diferencia de tiempo entre los cursores A1 y
A2 que es de 16.59ms ............................................................................................ 43
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GLOSARIO DE TRMINOS TCNICOS Y SIGLAS
Conexin
trifsica
CA
CD
PWM
SPWM
Puente H
Vcd o VCD
Vca
Sn
Una conexin trifsica son tres corrientes alternas de igual
frecuencia y amplitud (y por consiguiente, valor eficaz) que
presentan una cierta diferencia de fase entre ellas, en torno
a 120 elctricos de una corriente con respecto a otra corriente
y cada corriente recibe el nombre de fase.
Corriente alterna.
Corriente directa.
Pulse Width Modulation (Modulacin de Ancho de Pulso).
Sinusoidal Pulse Width Modulation (Modulacin en Anchura
de Pulsos Sinusoidal).
Es una conexin elctrica de elementos de conmutacin, que
permite el paso de la corriente en sentido positivo y negativo
alternadamente.
Tensin del capacitor.
Tensin de salida.
Tensin de corriente directa.
Tensin de corriente alterna.
Semiconductor de conmutacin.
http://es.wikipedia.org/wiki/Frecuenciahttp://es.wikipedia.org/wiki/Amplitudhttp://es.wikipedia.org/wiki/Amplitudhttp://es.wikipedia.org/wiki/Frecuencia7/23/2019 Inversor Trifasico Tesis MedinSilvaL.a Fdocx
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V, A y W
Hz
Ah
Wh
RMS
Volts, Amperes, y Watts respectivamente.
Hertz (Numero de ciclos por segundo).
Amper-hora.
Watt-hora.
Root Mean Square ( Valor Eficaz)
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ANEXOS
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ANEXO A
HOJAS DE DATOS DEL MOSFET
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ANEXO B
HOJAS DE DATOS DEL TRANSISTOR 2N3055
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ANEXO C
VALORES COMERCIALES DE RESISTENCIAS
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ANEXO D
VALORES COMERCIALES DE CAPACITORES
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ANEXO E
CARACTERSTICAS DE LOS ACUMULADORES DE CICLADO
PROFUNDO LTH
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