SIMULACIÓN DE UNA INTERFACE DE …tesis.ipn.mx/jspui/bitstream/123456789/5082/1/SIMULACION...V CAPITULO IV. DESCRIPCIÓN TÉCNICA DE LOS COMPONENTES DEL SISTEMA . 47 4.1. Diagrama

INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL

ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA

UNIDAD “ZACATENCO”

“SIMULACIÓN DE UNA INTERFACE DE ELECTRÓNICA DE POTENCIA

ALIMENTADA CON UNA CELDA DE COMBUSTIBLE”

México, D.F. SEPTIEMBRE -2009

T E S I S

Q U E P A R A O B T E N E R E L T Í T U L O D E

I N G E N I E R O E L E C T R I C I S T A

P R E S E N T A :

C . J U L I O A N T O N I O B A U T I S T A

A Dios

A mis padres Julio y Juana por sus palabras de aliento,

por sus sabios consejos, por su infinito amor y por creer

siempre en mi.

A mi esposa Dulce María quien supo esperar con gran

paciencia la culminación de este trabajo para verme alcanzar

una meta más de mi vida.

Agradecimientos:

Esta tesis esta dedicada a mis Padres, Julio y Juana, les agradezco su apoyo,

su guía y su confianza en la realización de mis sueños. Soy afortunado por

contar siempre con su amor, comprensión y ejemplo. Esta tesis es suya.

Agradezco a Dios por llenar mi vida de dicha y bendiciones.

A mis profesores, que compartieron conmigo sus conocimientos y

experiencias.

De igual manera a las personas que han estado al pendiente de mi, a mi

familia en general.

Y muy en especial a Dulce María García Aranda por todas las palabras de

aliento y motivación, por impulsarme a cumplir mis metas y por creer en mí.

Al, M. en C. Manuel García López primeramente por ser mi director de

tesis, por todos sus acertados comentarios y sabios conocimientos, por su

interés y colaboración en la estructura de este trabajo.

Al M. en C. Javier Herrera Espinosa por ser mi coasesor de tesis, por todo

tu apoyo en el desarrollo de este trabajo, por tus conocimientos,

observaciones y tú sincera amistad.

Muchas gracias!!!

El presente trabajo es

producto de los tópicos de

control electrónico de

motores ofrecidos por la

academia de electrónica de

Ing. Eléctrica.

IV

ÍNDICE DE CONTENIDO

Pág.

CONTENIDO…………………………………………………………………………….. IV

ÍNDICE DE FIGURAS Y TABLAS………………………………………………… VI

GLOSARIO DE TÉRMINOS………………………………………………………… VIII

RESUMEN………………………………………………………………………………... IX

CAPÍTULO I. INTRODUCCIÓN…………………………………………………. 1

1.1. Generalidades………………………………………………………………………………………………… 2

1.2. Objetivo…………………………………………………………………………………………………………… 4

1.3. Justificación. ………………………………………………………………………………………………….. 4

1.4. Estado del arte……………………………………………………………………………………………….. 5

1.4.1. El consumo mundial de las fuentes renovables y su papel en la generación de electricidad: situación actual y nuevas tendencias……..…

5

1.4.2. Actualidad de las celdas de combustible………………………………………. 6

1.4.3. Sistemas de distribución de energía alimentados con fuentes renovables (SDE)…………………………………………………………………..

8

1.4.3.1. Sistemas fotovoltaicos……………………………………………………….. 9

1.4.3.2. Sistemas eólicos…………………………………………………………………. 10

1.4.3.3. Sistemas con microturbinas……………………………………………… 11

1.4.3.4. Sistemas con celdas de combustible…………………………………. 12

1.5. Estructura de la tesis……………………………………………………………………………………… 13

1.6. Alcances…………………………………………………………………………………………………………. 13

CAPÍTULO II. PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO DE LAS CELDAS DE COMBUSTIBLE…………………………………….........

14

2.1. Introducción………………………………………………………………………………………………….. 15

2.2. Tipos de celdas de combustibles……………………………………………………………………. 17

2.3. Aspectos teóricos…………………………………………………………………………………………… 18

2.3.1. Operación de la celda de combustible…………………………………………… 18

2.3.2. Marco teórico……………………………………………………………………………….. 20

2.4. Componentes que conforman la pila…………………………………………………………….. 27

CAPÍTULO III. INVERSOR TRIFÁSICO Y TÉCNICA DE MODULACIÓN SPWM……………… ………………………………………………

28

3.1. Introducción…………………………………………………………………………………………………… 29

3.2. Clasificación de los inversores………………………………………………………………………. 29

3.3. Principio de funcionamiento del inversor trifásico……………………………………… 31

3.3.1. Parámetros de rendimiento del inversor trifásico………………………….. 39

3.4. Técnicas de modulación PWM……………………………………………………………………….. 40

3.4.1. Generalidades……………………………………………………………………………….. 40

3.4.2. Conceptos básicos de la técnica SPWM…………………………………………. 41

3.4.2.1. SPWM para un puente H.…………………………………………………. 43

3.4.2.2. SPWM para un puente 3 …………………………………………………. 45

V

CAPITULO IV. DESCRIPCIÓN TÉCNICA DE LOS COMPONENTES DEL SISTEMA………………………………………………….

47

4.1. Diagrama a bloques del sistema Celdas de combustible―inversor trifásico―maquina asíncrona en Matlab/Simulink………………………………………………..

48

4.2. Bloque 1. Celda de combustible……………………………………………………………………… 49

4.3. Bloque 2. Inversor trifásico IGBT/Diodo……………………………………………………….... 53

4.4. Bloque 3. Carga máquina asíncrona……………………………………………………………… 57

CAPÍTULO V. RESULTADOS Y CONCLUSIONES. 63

5.1. Introducción…………………………………………………………………………………………………… 64

5.2. Simulación del inversor trifásico IGBT/Diodo…………………………………………………. 65

5.2.1. Inversor trifásico alimentado con una fuente de C.D y con carga asíncrona…………………………………………………………………………………………………

66

5.2.2. Inversor trifásico alimentado con celdas de combustible y con carga asíncrona……………………………………………………………………………………....

71

5.2.3. Inversor trifásico con filtro alimentado con Celdas de combustible y con carga asíncrona………………………………………………………………………………

73

5.3. Análisis de la Distorsión Armónica Total THD del inversor trifásico alimentado con fuente de C.D y Celdas de combustible con carga asíncrona…………………………

77

5.4. Conclusiones………………………………………………………………………………………………….. 79

REFERENCIAS…………………………………………………………………………. 80

APÉNDICE A…………………………………………………………………………….. 82

VI

ÍNDICE DE FIGURAS Y TABLAS Pág.

CAPÍTULO I. INTRODUCCIÓN…………………………………………………. 1

Figura 1.1. Evolución de las fuentes de energía primaria a nivel mundial, 1850-2000…………………….. 3 Figura 1.2. Estructura de la oferta mundial de energía primaria, 2000…………………………………………… 5 Figura 1.3. Topología trifásica de una fotocelda conectada con un transformador de la línea-frecuencia……………………………………………………………………………………………...................................

9

Figura 1.4. Topología de la electrónica de potencia de un generador síncrono (sistema

eólico)……………………………………………………………………………………………………………………………………………..

10

Figura 1.5. Topologías de la electrónica de potencia a un sistema con microturbinas (a) Rectificación activa; (b) Rectificación pasiva………………………………………………………………………………

11

Figura 1.6. Topología del convertidor conectado en cascada de C.C—C.C y de C.C—C.A………………… 12

Tabla 1.1. Tipos de conversión de la energía que se utilizan para los (S.D.E.)……………………………………

8

CAPÍTULO II. PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO DE LAS CELDAS DE COMBUSTIBLE…………………………………………………….

14

Figura 2.1. Sistema básico de una Celda de Combustible………………………………………………………………. 15 Figura 2.2. Funcionamiento básico de una Celda de Combustible…………………………………………………… 18 Figura 2.3. Sistema Celda de Combustible………………………………………………………………………………………. 20 Figura 2.4. Reacción Electroquímica……………………………………………………………………………………………….. 24 Figura 2.5. Gráfica Densidad Corriente – Voltaje……………………………………………………………………………. 26 Figura 2.6. Sistemas que conforman la celda de combustible…………………………………………………………. 27

Tabla 2.1. Tipos de celdas de Combustible……………………………………………………………………………………… 17 Tabla 2.2. Elementos básicos de una celda de combustible…………………………………………………………….. 19

CAPÍTULO III. INVERSOR TRIFÁSICO Y TÉCNICA DE MODULACIÓN SPWM……………………………………………………………….

28

Figura 3.1. Clasificación de los inversores fuente de voltaje (VSI)……………………………………………………. 29 Figura 3.2. Diferentes topologías de los inversores de voltaje…………………………………………………………. 30 Figura 3.3. Inversor trifásico…………………………………………………………………………………………………………… 31 Figura 3.4. Formas de onda para conducción a 180°………………………………………………………………………. 32 Figura 3.5. Tipos de conexiones………………………………………………………………………………………………………. 34

Figura 3.6. Circuitos equivalentes…………………………………………………………………………………………………… 34

Figura 3.7. Tensiones de fase del inversor………………………………………………………………………………………. 35 Figura 3.8. Tensiones de línea del inversor……………………………………………………………………………………… 36 Figura 3.9. Inversor trifásico con carga RL………………………………………………………………………………………. 37 Figura 3.10. Técnica de modulación de los inversores…………………………………………………………………….. 40 Figura 3.11. Generación del SPWM (a) Comparación de señales de alta y baja frecuencia, (b) Régimen de conmutación resultante debido a la comparación………………………………………………….

42

Figura 3.12. Tiempo muerto (Deadtime - DT) en los pulsos polares de salida de un convertidor de dos niveles………………………………………………………………………………………………………………………………………

42

Figura 3.13. Modulación por ancho de pulso senoidal para un inversor puente H………………………….. 44 Figura 3.14. Modulación por ancho de pulso senoidal para un inversor trifásico…………………………… 45

Tabla 3.1. Estados de conmutación de un inversor trifásico de 2 niveles………………………………………… 33

VII

CAPÍTULO IV. DESCRIPCIÓN TÉCNICA DE LOS COMPONENTES DEL SISTEMA…………………………………………………………………………..

47

Figura 4.1. Diagrama a bloques del sistema y su respectivo símbolo de Matlab/Simulink………………. 48 Figura 4.2. Diagrama del inversor trifásico alimentado con celdas de combustible y carga asíncrona……………………………………………………………………………………………………………………………

48

Figura 4.3. Bloque 1.Celda de Combustible…………………………………………………………………………………….. 49 Figura 4.4. Cuadro de parámetros…………………………………………………………………………………………………. 49 Figura 4.5. Circuito equivalente de una celda de combustible…………………………………………………………. 50 Figura 4.6. Curva característica de una celda de combustible…………………………………………………………. 51 Figura 4.7. Símbolo del IGBT/Diodo………………………………………………………………………………………………… 53 Figura 4.8. Cuadro de diálogo y de Parámetros……………………………………………………………………………… 53

Figura 4.9. Inversor trifásico IGBT/Diodo……………………………………………………………………………………….. 54 Figura 4.10. Generador PWMS………………………………………………………………………………………………………. 55 Figura 4.11. Cuadro de dialogo y parámetros…………………………………………………………………………………. 55 Figura 4.12. Máquina asíncrona……………………………………………………………………………………………………. 57 Figura 4.13. Sistema eléctrico de la maquina asíncrona………………………………………………………………… 58 Figura 4.14. Cuadro de configuración……………………………………………………………………………………………. 60 Figura 4.15. Cuadro de parámetros……………………………………………………………………………………………….. 61

Tabla. 4.1. Señales de salida………………………………………………………………………………………………………….. 52 Tabla 4.2 Marco de referencia………………………………………………………………………………………………………. 57 Tabla 4.3. Parámetros de la máquina asíncrona referidas al estator………………………………………………. 59

CAPITULO V. RESULTADOS Y CONCLUSIONES…………………………. 63

Figura 5.1. Etapas de las simulaciones……………………………………………………………………………………………. 64 Figura 5.2. Inversor trifásico alimentado con fuente C.D y con carga asíncrona…………………………….. 66 Figura 5.3. Señal de Voltaje del estator………………………………………………………………………………………….. 67 Figura 5.4. Señal de corriente del rotor………………………………………………………………………………………….. 67 Figura 5.5. Señal de corriente del estator……………………………………………………………………………………….. 68 Figura 5.6. Señal de salida del par electromagnético……………………………………………………………………… 68 Figura 5.7. Señal de salida de las RPM……………………………………………………………………………………………. 69 Figura 5.8. Señal de Voltaje de línea ………………………………………………………………………………………. 69 Figura 5.9. Señal de Voltaje Polar +………………………………………………………………………………………………… 70 Figura 5.10. Señal de Voltaje Polar - ………………………………………………………………………………………………. 70 Figura 5.11. Inversor trifásico alimentado con celdas de combustible y con carga asíncrona………… 71 Figura 5.12. Señal de corriente del rotor………………………………………………………………………………………… 72 Figura 5.13. Inversor trifásico con filtro alimentado con Celdas de combustible y carga asíncrona…. 73 Figura 5.14. Señal de Voltaje del estator………………………………………………………………………………………… 74 Figura 5.15. Señal de corriente del rotor…………………………………………………………………………………………. 74 Figura 5.16. Señal de corriente del estator……………………………………………………………………………………… 75 Figura 5.17. Señal de salida del par electromagnético……………………………………………………………………. 75 Figura 5.18. Señal de salida de las RPM…………………………………………………………………………………………. 76 Figura 5.19. Señal de Voltaje de línea …………………………………………………………………………………….. 76 Figura 5.20. THD=91.53% del inversor alimentado con fuente de C.D y carga asíncrona……………. 77 Figura 5.21. THD=1339.86% del inversor alimentado con celdas de combustible y carga asíncrona………………………………………………………………………………………………………………………………………..

77

Figura 5.22. THD=91.63% del inversor con filtro alimentado con Celdas de combustible…………... 78

IX

RESUMEN DE LA TESIS

Asociado directamente al desarrollo de la sociedad, la cultura y la tecnología, se

encuentra el empleo de energía, desde formas elementales como la combustión de

materiales minerales, fósiles y vegetales hasta en la forma contemporánea por

excelencia: la energía eléctrica. La demanda creciente en aplicaciones cada vez más

exigentes, y factores económicos y ecológicos, han provocado la necesidad de diseñar

y construir equipos que transformen la energía eléctrica en forma eficiente. El estudio

de los equipos que convierten, mediante el empleo de semiconductores y técnicas de

control automático, la energía eléctrica modificando sus características de tensión y/o

frecuencia, centrando la atención en la comunidad científica y técnica. Busca

desarrollar métodos que permitan que esta tarea se lleve a cabo con altos índices de la

ciencia, bajo nivel de mantenimiento, tasa de falla reducida, alta densidad energética y

costo económico reducido.

En esta tesis se aborda, el modelado de una interface de electrónica potencia

alimentada por una celda de combustible, un análisis de la modulación PWM y una

nueva metodología de modelado y simulación.

En el primer capítulo se desglosan los conceptos relacionados con la conversión de

energía mediante circuitos electrónicos conmutados. Se lleva a cabo un repaso

cronológico e histórico de las tendencias en los esquemas de alimentaciones.

En el segundo capítulo se describe el principio de funcionamiento de las celdas de

combustible seguidamente de su clasificación. Posteriormente se muestran los

fundamentos químicos que involucran a las reacciones así como también los

componentes que lo conforman.

El tercer capítulo tiene por objetivo describir el funcionamiento del inversor trifásico

de dos niveles, así como su clasificación. Posteriormente se desglosan las estrategias

de control utilizadas para la operación del inversor que en este caso es la modulación

PWM.

El cuarto capítulo tiene por objetivo la descripción técnica de los componentes del

sistema.

En el quinto capítulo se implementan los modelos en el entorno gráfico Simulink de

Maltab y se llevan a cabo diversas simulaciones para poder estudiar el

comportamiento estático y dinámico de los inversores en diferentes situaciones de

funcionamiento, posteriormente se analizan los resultados.

CAPÍTULO

I

INTRODUCCIÓN

CAPITULO I [INTRODUCCIÓN ] IPN-ESIME-IE

2

1.1. Generalidades.

Quizás el momento más decisivo para la humanidad haya sido el

descubrimiento del fuego, gracias a él, la humanidad comenzó a controlar y modificar

procesos que hasta ese momento dependían únicamente de la naturaleza. Desde

entonces la energía ha sido un elemento indispensable en la satisfacción de las

necesidades cotidianas de todas las formas de organización social, partiendo del uso

de equipos elementales, como la cocción de alimentos con los fogones de tres piedras,

hasta los sofisticados aparatos electrónicos dedicados exclusivamente al ocio y

entretenimiento en las sociedades post-industriales [1].

Desde la perspectiva humana, la energía es entonces, ubicua y permanente.

Ubicua, porque el hombre en tanto ente biológico y social depende de ella, ya sea por

la radiación solar indispensable para las funciones biológicas o para los ciclos agrícolas,

o como la fuerza motriz del viento o del agua requerida para impulsar los antiguos

molinos de granos, o los modernos equipos de generación eléctrica. Y es permanente,

porque las necesidades pasadas, presentes y futuras de energía son determinadas y

conducidas por tres factores principales: el crecimiento de la población, el desarrollo

económico y el progreso tecnológico [2].

La introducción de la electricidad fue quizás el factor más importante para que

esta transición ocurriera, ya que podía ser fácilmente convertida en luz, calor o trabajo

en los lugares de uso final. Una segunda innovación fue el motor de combustión

interna, el cual revolucionó los patrones de transporte individual y colectivo. Sin

embargo, junto con esto se dio una creciente dependencia del petróleo como el

energético primario que cubriría las necesidades cada vez mayores de combustibles

para generación eléctrica y para transporte.

La figura 1.1 muestra el panorama energético mundial a partir de 1850. En ella

puede verse claramente la sustitución paulatina de la biomasa tradicional por los

combustibles fósiles.

El carbón se inició como el energético predominante a principios del siglo XX,

cubriendo cerca de las dos terceras partes de los requerimientos energéticos globales

en la época de la Primera Guerra Mundial. En la misma figura también se observa el

declive gradual del carbón a favor del petróleo y también el surgimiento de otras

fuentes energéticas como el gas natural (el cual primero fue un subproducto de la

extracción del petróleo), el fortalecimiento de la hidroelectricidad y, a partir del

período de posguerra, el surgimiento de la energía nuclear [2].


3

Figura 1.1. Evolución de las fuentes de energía primaria a nivel mundial, 1850-2000.

Para el siglo XXI aparecen otras formas de producir la energía eléctrica, a las que se les

conoce como fuentes “limpias de contaminación”.

Algunas de ellas son:

• Sistemas fotovoltaicos.

• Sistemas eólicos.

• Sistemas con Microturbinas.

• Sistemas con celdas de combustible.

La energía que se produce mediante estas fuentes tiene que ser convertida en C.A.

Para ello se emplean diferentes interfaces (ó topologías) de electrónica de potencia

cuyos detalles se verán en el apartado 1.4.


4

1.2. Objetivos.

Desarrollar un modelo, el cual nos permita entender y comprender el

funcionamiento de un inversor trifásico de dos niveles alimentado con celdas

de combustible.

Analizar el comportamiento del sistema, bajo diferentes condiciones de carga.

1.3. Justificación. Debido a la necesidad que se tiene en la industria eléctrica de tener fuentes no

contaminantes que produzcan energía eléctrica, y con el objetivo de analizarlas la

presente tesis enfoca su importancia en:

Simular el comportamiento bajo carga de la celda, cuando se interfacea con un

circuito trifásico de dos niveles para producir energía eléctrica de C.A.

Sentar las bases necesarias para el entendimiento de este tipo de sistemas

(celda de combustible―interface de potencia―carga) para su futura

implementación.


5

1.4. Estado del arte. 1.4.1. El consumo mundial de las fuentes renovables y su papel en la generación de electricidad: situación actual y nuevas tendencias.

Las transiciones sucesivas de la estructura energética mundial ocurridas a lo largo del

siglo XX han creado un panorama muy diferente al que predominaba en 1850, quizás el

cambio más dramático ha sido la participación de las fuentes renovables de energía.

De constituir casi el 90% de la oferta energética mundial en 1850, los energéticos

renovables pasaron a conformar únicamente el 14% de esta oferta en el año 2000 [3],

como lo muestra la figura 1.2.

1/ incluye leña y carbón vegetal 2/ incluye residuos agrícolas y desechos sólidos municipales

Figura 1.2. Estructura de la oferta mundial de energía primaria, 2000.

Esta reducción tan acentuada a favor de las fuentes fósiles, que en conjunto

representaron el 79% de la oferta mundial de energía primaria en el año 2000 no fue ,

fruto de la casualidad. El crecimiento de la población mundial se dio junto con

importantes cambios en la organización de los procesos productivos debidos a la

industrialización, aunando los procesos de urbanización y las crecientes necesidades

de transporte de personas, insumos y mercancías. Esto determinó el surgimiento de

nuevas y mayores necesidades energéticas.


6

1.4.2. Actualidad de las celdas de combustible.

El carbón, petróleo y gas natural (hidrocarburos) son las fuentes principales de

energía de las cuales dependemos en gran medida. Sin embargo, las evidencias de que

su agotamiento va por senda irreversible son cada vez más abundantes y

contundentes. Las fuentes renovables de energía han surgido como una respuesta

alternativa. Durante las tres últimas décadas se han producido enormes avances, no

solamente en lo tecnológico sino también en generar las condiciones adecuadas para

su diseminación [4].

Es así que las industrias energéticas de mayor crecimiento durante la última

década han sido, precisamente, las energías solar y eólica con crecimientos superiores

a 20% al año. Durante esta última década ha surgido un importante interés por la

promoción de las llamadas celdas de combustible, que no son otra cosa que sistemas

en los cuales se utiliza el hidrógeno como combustible el cual al mezclarse con oxígeno

produce electricidad. Las celdas de combustible son también llamadas pilas de

combustible por su similitud con las baterías.

El uso del hidrógeno como combustible no es una novedad en el mundo. Viene

utilizándose desde hace décadas en la industria satelital. Sin embargo, en la actualidad

y a la luz de la realidad cada vez más clara del agotamiento del petróleo, las celdas de

combustible resultan sumamente importantes en especial para sustituir a los

hidrocarburos en el transporte, quizás el sector más crítico y sensible en una economía

del petróleo como la nuestra.

El transporte requiere de fuentes de energía fácilmente transportables con alto

rendimiento por unidad de energía primaria. El hidrógeno, a diferencia de las otras

fuentes alternativas de energía renovables, es fácilmente envasable y transportable

por ser un “fluido de poco peso”, y por tanto tiene un enorme potencial para ser

utilizado como fuente de energía en el transporte.Otro tema importante relacionado

con las celdas de combustible es que el hidrógeno, fuente de energía para el uso de

estas celdas, se encuentra en forma abundante en el universo, aunque no en forma

libre. Se puede extraer de la naturaleza, y si se tiene la tecnología para su separación

de los productos primarios, ésta es una fuente inagotable de energía.

Estas características del hidrógeno y de las celdas de combustible hoy por hoy

la han convertido en una de las alternativas que más trascendencia está teniendo en

los países desarrollados. Estados Unidos, Europa, Japón han iniciado importantes

programas de desarrollo e investigación. La empresa privada, y en especial los grandes

fabricantes automotrices como General Motors, Chrysler, BMW, también están


7

desarrollando sus propios programas de investigación con la finalidad de colocar en el

futuro cercano vehículos a hidrógeno en el mercado mundial, inclusive con vehículos

ya en funcionamiento como casos piloto. Islandia, en una mirada estratégica, está

haciendo una millonaria inversión en la conversión de su transporte público a un

transporte en base a hidrógeno, convirtiéndose tal vez en la primera economía en

hidrógeno del mundo.

La dificultad y el costo de su producción están precisamente en separarlo de las

fuentes primarias. En la actualidad se conocen dos formas de producción de

hidrógeno: por reformación, en la cual éste es obtenido de los hidrocarburos,

separando el carbono del hidrógeno (uno de los más utilizados es el gas natural); y otra

forma de obtenerlo es por electrólisis del agua, siendo la segunda opción más costosa

que la primera.

Otro aspecto que lo presenta quizás un tanto complicado o costoso es el hecho

de que la producción del hidrógeno a partir de la materia primaria (hidrocarburos o

agua) necesita de importantes cantidades de energía. Otra forma novedosa de

producción (el de bio-hidrógeno) en plena etapa de investigación se presenta a través

de algas o bacterias que lo sintetizan al digerir residuos orgánicos, preferentemente

agrícolas.

Si miramos a las celdas de combustible en la perspectiva del alivio a la pobreza

en los países en desarrollo (otra de las grandes preocupaciones de la humanidad,

además del agotamiento de los hidrocarburos), quizás éstas no tengan tanta

trascendencia ya que las energías renovables, especialmente las más conocidas solar,

eólica, hidráulica, biomasa, se encuentran en el lugar donde se presentan las

necesidades por energía. Por otro lado, las cantidades demandadas de energía en

estos sectores no son tantas como para que valga la pena hacer una doble

transformación de renovable a hidrógeno y de allí a electricidad.


8

1.4.3. Sistemas de distribución de energía alimentados con fuentes renovables (SDE).

Los sistemas SDE pueden ser alimentados con diferentes fuentes renovables

de energía tales, como:

Sistemas fotovoltaicos.

Sistemas eólicos.

Sistemas con Microturbinas.

Sistemas con celdas de combustible.

La energía producida mediante estas fuentes tiene que ser convertida a C.A.

Para ello se emplean diferentes topologías de electrónica de potencia (ver tabla 1.1) [5].

En los apartados subsecuentes se detallara cada S.D.E. con sus

correspondientes topologías de electrónica de potencia.

Tabla 1.1. Tipos de conversión de la energía que se utilizan para los S.D.E.

Conversión de la energía Nombre del módulo

C.A―C.C Rectificador C.C―C.A Inversor C.C―C.C Convertidor

C.A―C.C―C.A Rectificador-Inversor


9

1.4.3.1. Sistemas fotovoltaicos.

La tecnología fotovoltaica implica el convertir energía solar directamente en

energía eléctrica. La eficiencia de una celda solar es típicamente alrededor 10%-15%.

Por otra parte, la salida actual del sistema del fotovoltaico depende sobre todo de la

radiación solar disponible [5].

El requisito principal de las interfaces electrónicas es convertir el voltaje de C.C

generado en C.A conveniente para uso y utilidad del consumidor. Generalmente,

antes de convertirlo a C.A se requiere convertidores de C.C―C.C antes de convertirlos

a la C.A compatible para uso general. Los módulos de la fotocelda están conectados ,

en orden para producir cantidades grandes de electricidad.

En la figura 1.3 se muestra una topología típica de un inversor trifásico aplicada

a una fotocelda. La salida de C.C del arreglo fotovoltaico está conectada a través de un

capacitor de filtro. La salida del capacitor conecta con la entrada de un inversor

trifásico de voltaje-frecuencia. La salida de cada fase de los convertidores está

conectada con un inductor y un capacitor para limitar los armónicos de las altas

frecuencias inyectados a un sistema de C.A.

Un voltaje sintetizado de la salida de la C.A es producido apropiadamente para

el control de los interruptores y un transformador trifásico se utiliza para conectar la

energía con la utilidad del usuario.

Figura 1.3. Topología trifásica de una fotocelda conectada con un transformador de la

línea-frecuencia.

Inversor trifásico

Transformador

Trifásico Utilidad


10

1.4.3.2. Sistemas eólicos.

Las turbinas de viento transforman energía cinética en energía mecánica que a

su vez se puede convertir en energía eléctrica con un generador. La energía se genera

normalmente con un generador de inducción o con un generador síncrono. Los

generadores síncronos se interconectan típicamente al circuito de electrónica de

potencia. La salida de esta energía es típicamente entre 10kW a 2.5 MW y la energía

eólica se captura usando engranes que están conectadas con el rotor de un generador.

Se genera la energía solamente cuando el viento sopla [5].

Una topología típica de la electrónica de potencia que se utiliza para un

generador síncrono de imán permanente se muestra en la figura 1.4. El voltaje

trifásico de la salida es variable y la frecuencia de la turbina se rectifica usando un

puente del diodo. Con el cambio en la velocidad del generador síncrono, el voltaje en

el lado de la C.C. del rectificador de diodo cambia. Para mantener un voltaje constante

de C.C. se debe acoplar un inversor que hace la función de un interruptor.

La energía requerida para el generador de inducción de doble alimentación

(DFIG por siglas en ingles) proviene de un convertidor C.A―C.C―C.A con un control de

modulación de ancho de pulso (PWM por sus siglas en ingles). El arreglo del convertidor

esta hecho con IGBT`s.

La bobina del estator está conectada directamente a la onda senoidal de

60Hz, mientras que el rotor se alimenta en una frecuencia variable a través del

convertidor de C.A―C.C―C.A. Una topología eléctrica típica de DFIG, utiliza un arreglo

del convertidor con el rectificador adosado mutuamente al inversor que comparte una

C.C. El lado de la C.A del rectificador está conectado con el rotor de la máquina de

inducción vía anillos colectores; la salida del inversor se ata a la rejilla para uso

general. Este sistema se puede clasificar como frecuencia constante o velocidad-

variable.

Figura 1.4. Topología de la electrónica de potencia de un generador síncrono (sistema eólico).

Generador Síncrono

Rectificador

elevador

Inversor

Transformador Trifásico Utilidad


11

1.4.3.3. Sistemas con microturbinas.

Las Microturbinas son obtenidas de los aviones y los helicópteros, desarrollan

y modifican de acuerdo a los requisitos particulares para los usos eléctricos del

usuario. La potencia de salida está entre 30 kw y 400 kw. Éstos se utilizan para la

generación de corriente eléctrica que a su vez se usa para el enfriamiento, calefacción

o combinadas [5].

Las microturbinas modernas han progresado dramáticamente con los

componentes avanzados tales como inversores, cambiadores de calor (recuperadores),

electrónica de potencia, comunicaciones, y sistemas de control.

En la mayoría de las configuraciones, el eje de la turbina hace girar al rotor

hasta 120,000 RPM. La salida de alta frecuencia del generador primero se rectifica y

en seguida se convierte a la corriente alterna.

Hay dos topologías básicas en la electrónica de potencia que se pueden utilizar

para los sistemas con microturbinas. La primera topología (ver figura 1.5a) implica dos

convertidores con un bus común de C.C uno para convertir la C.A de alta frecuencia a

la C.C y el segundo es para la conversión de C.C—C.A y conseguir los 60 hertz

compatible para uso general. La segunda topología (ver figura 1.5b) es el cambiador

de frecuencia directa de C.A—C.A por la forma del convertidor se le puede llamar

cicloconvertidor o convertidor matriz.

Figura 1.5. Topologías de la electrónica de potencia a un sistema con microturbinas

(a) Rectificación activa; (b) Rectificación pasiva.

Microturbina

Rectificador PWM Bus común de C.C. Inversor PWM

Transformador

Trifásico Utilidad

Generador de

alta frecuencia

Microturbina

Generador de

alta frecuencia

Puente rectificador de Diodos Bus común de C.C. Inversor PWM

Transformador

Trifásico Utilidad

a)

b)


12

1.4.3.4. Sistemas con celdas de combustible.

Las celdas de combustible que se están desarrollando actualmente se pueden

utilizar como sustitutos posibles para el motor de combustión interna en vehículos así

como en los usos inmóviles para la producción de energía eléctrica [5].

Una pila de combustible es un dispositivo electroquímico que produce

electricidad sin ninguna etapa intermedia de la conversión de energía. La cantidad de

energía de una pila de combustible típica es de 200 W-h/L, que es casi diez veces

que de una batería. La eficacia de una pila de combustible es también alta, en la gama

es del 40% a 60%. Si el calor residual generado por la pila de combustible se utiliza

para la cogeneración, la eficacia total de tal sistema podría estar como en un 80% .Las

pilas de combustible se pueden clasificar en cinco diversas categorías basadas en la

química del electrólito.

Un ejemplo de un sistema con celdas de combustible se muestra en la figura

1.6. En esta figura se observa que el apilado de la celda de combustible se conecta a

una topología de electrónica de potencia interconectándose a un sistema de uso

general trifásico. La topología de electrónica de potencia utiliza un convertidor

aislado del puente de C.C —C.C a un inversor trifásico de voltaje.

Figura 1.6. Topología del convertidor conectado en cascada de C.C—C.C y de C.C—C.A.

Celda de

combustible

Convertidor Conexión de C.C Inversor trifásico

C.C―C.C

Transformador de alta frecuencia

Utilidad


13

1.5. Estructura de la tesis.

En el capitulo 1 se mencionan las generalidades y se define los objetivos,

justificación del problema, el estado del arte y la estructura de la tesis.

En el capitulo 2 muestra el principio de funcionamiento de las celdas de

combustible, así como los parámetros que se involucran en su funcionamiento.

En el capitulo 3 describe al inversor trifásico y la técnica PWM Senoidal.

En el capitulo 4 se muestra la descripción técnica de los componentes del

sistema.

En el capitulo 5 se muestran los resultados obtenidos de la simulación,

principalmente la formas de onda que describe un motor asíncrono, el análisis de los

resultados y las conclusiones obtenidas de dicho análisis.

1.6. Alcances.

Se presenta un modelo completo de la simulación de un inversor trifásico

alimentado con celdas de combustible, y mediante la técnica SPWM podemos

minimizar el contenido de armónicos.

CAPÍTULO

II

PRINCIPIO DE

FUNCIONAMIENTO DE LAS

CELDAS DE COMBUSTIBLE

CAPÍTULO II [ PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO DE LAS CELDAS DE

COMBUSTIBLE ] IPN-ESIME-IE

15

2.1. Introducción.

Las celdas electroquímicas en las que se fuerza una reacción química mediante

la adición de energía eléctrica se llaman celdas electrolíticas. Los dispositivos que

producen energía eléctrica, mediante una reacción química son las celdas galvánicas.

Las celdas de combustible son reactores de estado estacionario a los que se dosifican

los reactivos en forma continua y de los que se extraen los productos también en

forma continua [6].

Las celdas primarias son dispositivos de estado no uniforme que contienen

cantidades iníciales fijas de reactivos. Hay un tercer tipo de celdas electroquímicas

conocidas como secundarias, que funcionan como las galvánicas cuando están en uso,

pero que se pueden regenerar (recargar) invirtiendo la reacción de celda.

Las celdas de combustible funcionan bajo el principio de intercambio de carga

electrolítica entre una placa de ánodo negativa y una placa de cátodo positiva. Cuando

se utiliza hidrógeno como combustible básico se produce hidrólisis inversa, dando agua

y calor como subproductos, sin producir contaminantes, y convirtiendo energía

química en eléctrica. En la figura 2.1 muestra un sistema clásico de una celda de

combustible.

Figura 2.1. Sistema básico de una Celda de Combustible [7].



16

La fuente de hidrógeno puede ser de un combustible fósil como gas natural o

gasolina. Para extraer hidrógeno puro, los combustibles fósiles deben pasar primero

por un reformador.

Las Celdas de Combustible fueron inventadas y descubiertas en 1839. El

alemán/suizo Christian Friedrich Schönbein publicó un artículo sobre el hidrógeno-

oxígeno en el "Philosophical Magazine" en enero de 1839. Alrededor de la misma

fecha el inglés Sir William Grove (1811-1896) estaba trabajando en conexión en serie y

paralelo en su poderosa batería platino– zinc.

En el artículo que publicó también en el "Philosophical Magazine" en febrero de

1839, Sir Grove indicaba la posibilidad de la reacción del hidrógeno– oxígeno para

generar electricidad. Grove presentó en todos los detalles la celda de combustible.

La celda de combustible que fabricó Grove, (aunque tal vez se debería llamar

Pila de Hidrógeno con mayor propiedad), como siempre pasa en estos casos, la gente

no lo tomó en serio, sino más bien se rieron de su idea. Si lo hubiesen tomado en

serio, a estas horas la historia de la humanidad quizás habría sido totalmente

distinta, posiblemente la tecnología habría avanzado a pasos más acelerados e

incluso es posible que los temas políticos, económicos, y sociales asociados al

petróleo, habrían sido bastante diferentes.

Denominada Fuel Cells como terminología anglosajona, todavía no existe

acuerdo para su traducción al español, por lo que se le puede llamar : Pila de

Combustible, Célula de Combustible, Pila de Hidrógeno ó Celdas de Combustible. Los

diferentes tipos de celdas de combustible se caracterizan generalmente por el material

de su electrolito. El electrolito es la sustancia que sirve como puente para el

intercambio de iones entre el ánodo y el cátodo [8].



17

2.2. Tipos de celdas de combustibles. A continuación se muestra una lista de los diversos tipos de celda de combustible.

1. Celdas de Combustible Alcalinas (AFC). 2. Celdas de Combustible con Membrana de Intercambio de Protones (PEMFC). 3. Celdas de Combustible de Ácido Fosfórico (PAFC). 4. Celdas de Combustible de Carbonato Fundido (MCFC). 5. Celdas de Combustible de Óxidos Sólidos (SOFC). 6. Celdas de Combustible de Metanol Directo (DMFCs).

Los diversos tipos de celdas de combustible desarrollados o fabricados

actualmente tienen características que los hacen especialmente atractivos para ciertas

aplicaciones [9]. En la tabla 2.1 se muestra las principales características de las celdas

de combustible [7].

Tabla 2.1 Tipos de celdas de Combustible.



18

2.3. Aspectos teóricos. 2.3.1. Operación de la celda de combustible.

La celda de combustible es un dispositivo que produce electricidad y agua

mediante un proceso inverso a la electrólisis. En la figura 2.2 se ilustra el

funcionamiento de una celda de combustible [10].

Electrólisis

Electricidad + agua Hidrógeno + Oxígeno

Celda de combustible

Hidrógeno + Oxígeno Electricidad + agua

Figura 2.2. Funcionamiento básico de una Celda de Combustible [9].

Funcionamiento de la celda de combustible:

1. En el ánodo tiene lugar la oxidación del combustible: las moléculas de

hidrógeno se disocian en protones y electrones.

2. El electrolito permite el paso de los protones, e impide el paso de los

electrones.

3. Los electrones generan corriente eléctrica a su paso por un circuito externo.



19

4. En el cátodo se produce una reacción de reducción: electrones y protones se

combinan con el oxígeno para formar agua.

5. Este proceso producirá agua, corriente eléctrica y calor útil.

6. El único subproducto que se genera es agua 100% desmineralizada

A diferencia de las baterías, una celda de combustible no se agota ni requiere

recarga, producirá energía en forma de electricidad y calor mientras se le provea de

combustible. Como se mencionó, las celdas de combustible son una familia de

tecnologías que usan diferentes electrólitos y que operan a diferentes temperaturas.

Cada miembro de esa familia tiende a ser más apropiada para ciertas aplicaciones. En

la tabla 2.2 se muestra los elementos básicos de una celda.

Tabla 2.2. Elementos básicos de una celda de combustible:

1.- Dos electrodos (ánodo y cátodo).

2.- Electrolito: sustancia encargada de transportar los iones producidos en las reacciones redox. El electrolito a veces se utiliza acompañado de un catalizador.

3.- H2 y O2, utilizados como combustible y oxidante respectivamente.

Una celda individual genera un voltaje cercano a un volt. Para las aplicaciones que

requieren mayor voltaje y alta potencia se apilan en serie el número necesario de estas

celdas, para formar una pila de combustible.



20

2.3.2. Marco teórico [8].

La salida del trabajo eléctrico de una celda de combustible se puede

establecer a partir de un análisis termodinámico de un sistema cerrado o de un

sistema abierto. Considere la celda que se ve en la figura 2.3.

Figura 2.3. Sistema Celda de Combustible.

Supondremos que la transferencia de calor hacia o desde la celda es el

resultado de un proceso isotérmico. Además del trabajo eléctrico, podría haber

también trabajo de expansión en la cantidad , ya que el sistema se mantiene a

presión constante. El balance de energía para el volumen de control que rodea a la

celda de combustible indica que:

(2.1)

ó bien (2.2)

Donde Transferencia de calor.

Energía interna

Entalpía

Además, para una masa unitaria que pase a través del volumen de control

(donde es la temperatura y es la Entropía), sustituyendo en el

balance de energía por esta última expresión, se encuentra que:



21

En condiciones isotérmicas, ( : Función de Gibbs). Por lo tanto,

(2.4)

Así, la producción de trabajo eléctrico de una celda en condiciones isotérmicas

e internamente reversibles se mide con el cambio de la función de Gibbs .La eficiencia

de conversión ideal o efectiva de una celda de combustible se puede definir mediante:

(2.5)

Donde dg es la producción máxima de trabajo útil, y la energía que entra es la

entalpía de reacción liberada por la reacción química, ambas cantidades

normalmente tienen valores negativos. Para un sistema de reactivo de gases ideales el

valor para es:

(2.6)

y el valor para es:

(2.7)

Donde el subíndice representa en este caso la misma temperatura para

reactivos y productos, ya que el proceso es isotérmico, corresponde a la entalpía

de formación, y “ ” corresponde al coeficiente estequiométrico de la reacción total,

corresponde a la entropía absoluta. Para las reacciones que ocurren a la

temperatura de referencia estándar de 298 Kelvin, la ecuación para la entalpía de

reacción se reduce a: [11]

(2.8)



22

Donde el índice de la suma, corresponde a los diferentes productos y

reactantes de la reacción total. Una ecuación similar es válida para la función de Gibbs:

(2.9)

Además de la eficiencia ideal de una celda de combustible, otra cantidad

importante es el voltaje ideal en circuito abierto que genera la celda. El trabajo

eléctrico es el producto de la cantidad de carga “ ”que pasa por la celda por mol de

combustible, y el potencial electrostático ideal Vi que desarrolla la celda de

combustible.

Cuando se conecta una carga a los dos polos o terminales se produce una

corriente que puede calcularse mediante la ley de Ohm. Los voltajes teóricos que

producen las reacciones de estas celdas normalmente se hallan entre 1.0 y 1.3 volts

(de corriente directa, CD) con 1 a 2 KW por metro cuadrado de electrodo. Por tanto,

tenemos que: [12]

(2.10)

El signo negativo indica que el trabajo eléctrico lo hace el sistema sobre los

alrededores. La cantidad de carga es igual al número de moles de electrones

producidos por la reacción de la celda de combustible, por mol de combustible,

multiplicado por el número de coulomb por mol de electrones, F (F: constante de

Faraday). Por tanto,

(2.11)

Donde queda,

(2.12)

ó bien (2.13)

La cantidad dg es negativa en las reacciones de las celdas de combustible, por

lo que el voltaje ideal Vi tiene un valor positivo. El valor de la constante de Faraday es:



23

Si este valor se multiplica por la identidad, ,

entonces F es igual a

Así, la ecuación (2.13) se convierte en:

(2.14)

Donde se expresa en kilojoules por kilogramos-mol y Vi se expresa en Volt.

El valor de se puede determinar si se conocen las reacciones que ocurren en

cada uno de los electrodos.

El número de moles de electrones que se producen durante la reacción de la

celda de combustible por mol de combustible se puede determinar como sigue. En las

celdas de combustible que funcionan con cualquier hidrocarburo CxHy y oxígeno O2, se

deben considerar las semirreacciones. En el ánodo los reactivos son CxHy y el agua del

electrolito, y los productos son dióxido de carbono gaseosos, iones hidrógeno y

electrones [11].

Ánodo:

(2.a)

En el cátodo, los electrones y los iones hidrógeno reaccionan con el oxígeno

que se introduce en la celda para formar agua.

Cátodo: (2.b)

La reacción química total se puede escribir como:

(2.c)



24

Esto es simplemente la suma de las reacciones en el ánodo y en el cátodo. En

cualquier hidrocarburo que no contenga oxígeno en su fórmula, el número de

electrones liberados por moléculas de combustible es:

(2.15)

Ejemplo:

En una celda hidrógeno-oxígeno, el hidrógeno se oxida electroquímicamente en

la interface catalizador-electrolito, según la siguiente reacción:

Los electrones atraviesan la carga para proporcionar la corriente deseada y

terminar al cátodo, donde la reacción de la reducción que ocurre es:

El equilibrio o balance electrostático se alcanza cuando los iones de hidrógeno

se difunden a través del electrolito para llegar hasta el cátodo:

La reacción total es:

H2 + ½ O2 = H2O

En la figura 2.4 se visualizará las reacciones anteriormente descritas:

Figura 2.4. Reacción Electroquímica.

Hidrogeno

(combustible)

Electrólito

Oxigeno (aire)

Calor + Agua

Ánodo Cátodo



25

Por tanto el = , y el =

, según los datos obtenidos de tablas termodinámicas, y las ecuaciones (2.8) y (2.9).

Además el ideal = 83%, según ecuación (2.5).

El voltaje ideal será 1.223 Volt, según ecuación (2.13), con =2, según

ecuación (2.15). Sin embargo, si la temperatura de operación es de 80 C (353° K) y se

asume que para una buena estimación que los valores se mantienen

constantes, los nuevos valores serán:

Ocupando la ecuación , y según los datos de tablas

termodinámicas, nos queda que:

Una consideración importante en el análisis de cualquier celda de combustible

es el efecto de la temperatura en su funcionamiento. En primer lugar, la eficiencia

ideal se puede ver afectada por la temperatura.

Esto depende de la variación de con la temperatura. Estas propiedades

son muy sensibles a la temperatura en la celda de hidrógeno y oxígeno.

En segundo lugar, la influencia de la temperatura en la velocidad de la reacción

también es importante. Las celdas que emplean carbono o hidrocarburos como

combustible a menudo tienen que operarse a temperaturas elevadas a fin de obtener

velocidades suficientemente grandes.

Por último, es necesario considerar los factores que influyen en el

funcionamiento de las celdas de combustible reales.



26

En la operación real, existen varios efectos irreversibles dentro de la celda de

combustible que reducen grandemente su voltaje terminal. Al hablar de las pérdidas

dentro de una celda generalmente se dice que hay sobrevoltajes o efectos de

polarización.

Por lo general, se agrupan en tres clases: resistencia o polarización óhmica,

activación o polarización química y polarización de concentración.

La magnitud de cada uno de estos efectos es función de la densidad de

corriente Ji. El primero de éstos lo causa la resistencia interna de la celda, e incluye

pérdidas en el electrolito, así como en los electrodos. La activación de polarización

surge de los cambios químicos que ocurren en la superficie de los electrodos así como

de los efectos de adsorción y deserción sobre la superficie.

La concentración de polarización es causada por los gradientes de

concentración que se establecen en el electrolito y en las corrientes de gas en la

vecindad de los electrodos. En la figura 2.5 se muestra la densidad corriente-voltaje

Figura 2.5. Gráfica Densidad Corriente―Voltaje [8].

Voltaje ideal

Activación de la región

polarizada (perdida de

velocidad de la reacción) Perdida total

Concentración de la región

polarizada (perdida de

transporte de gas)

Región óhmica de polarización

(perdida de la resistencia)

Voltaje de operación

Vo

lta

je d

e la

ce

lda

d

e

co

mb

ust

ible

Densidad de corriente ( )



27

2.4. Componentes que conforman la pila.

Un equipo de celdas de combustible está constituido por tres sistemas tal y

como lo muestra la figura 2.6 [13]. Estos sistemas son.

1.-Sistema del Procesamiento de combustible (Reformer).

Convierte el combustible en gas puro de Hidrógeno. Acepta diferentes combustibles,

como Hidrógeno, gas natural, Gas Licuado, Diesel, Propano, Metanol, Gas de Carbón,

Biogas, etc.

2.-Sistema de la Celda de combustible (Sección de potencia)

Donde ocurre el proceso electroquímico y se produce la corriente eléctrica continua.

3. Sistema de conversión de potencia

Este sistema convierte la corriente directa en corriente alterna.

Figura 2.6. Sistemas que conforman la celda de combustible.

CAPÍTULO

III

INVERSOR TRIFÁSICO Y

TÉCNICA DE MODULACIÓN

SPWM

CAPÍTULO III [INVERSOR TRIFÁSICO Y TÉCNICA DE MODULACIÓN SPWM ] IPN-ESIME-IE

29

3.1. Introducción.

En este capitulo se presentan las clasificaciones mas comunes de los

inversores, se explica el principio de funcionamiento del inversor trifásico y, se dan los

parámetros de rendimiento del mismo. Además en el capitulo se explica las

diferentes técnicas de modulación dando énfasis a la modulación senoidal PWM

trifásico ya que este se empleara en al simulación del presente trabajo.

3.2. Clasificación de los inversores .

En la figura 3.1 se muestra la clasificación general de los inversores. En ella se

aprecia un primer nivel de división, que depende de la alimentación utilizada. Por un

lado se tienen los alimentados por fuente de corriente (CSI, current source inverters),

utilizados casi exclusivamente en el campo de la regulación de velocidad para

potencias elevadas, y, por otro, los alimentados por fuente de tensión (VSI, voltage

source inverters ), ampliamente utilizados en la mayoría de aplicaciones. En el segundo

nivel se dividen, según el tipo de la tensión alterna obtenida, pudiendo ser

monofásicos o trifásicos. La división en los últimos niveles se realiza atendiendo, a las

técnicas de control empleadas en la obtención de la forma de onda de la tensión de

salida [14].

Figura 3.1. Clasificación de los inversores fuente de voltaje (VSI).

Modulación onda cuadrada

Modulación-cancelación de tensión

Cancelación programada de armónicos

PWM* PWM *

Conmutación de tensión bipolar

Conmutación de tensión unipolar Modulación por vector espacial

INVERSORES

CSI VSI

Monofásicos Trifásicos

Modulación. Onda cuadrada 180°

Modulación. Onda cuadrada 120°


30

En la figura 3.2 se da la clasificación de los inversores VSI de acuerdo a su topología. En

ella se puede ver en forma remarcada el VSI 3 debido a que este inversor es el que

se empleara en el presente trabajo. Es así que en el apartado 3.3 se ve con detalle el

principio y funcionamiento de este tipo de inversor.

Figura 3.2. Diferentes topologías de los inversores de voltaje [15].

INVERSOR

(VSI)

MULTINIVEL

Medio puente

Puente H

Inversor trifásico

Conexión cascada de puentes H

Multicelda

Capacitores flotantes

Diodo anclado

Asimétrico híbrido

Multicelda apilable

BINIVEL


31

3.3. Principio de funcionamiento del inversor trifásico.

Una de las configuraciones del inversor es el puente trifásico de dos niveles,

este inversor se puede construir con seis transistores y seis diodos como se muestra

en la figura 3.3 [16].

Figura 3.3. Inversor trifásico.

A los transistores le podemos aplicar dos tipos de señales de control desfasadas

120° ó 180° entre sí.

Cuando el ángulo de conducción es de 180° cada transistor conduce durante

180°. Defasando convenientemente las señales de control de los transistores hacemos

que conduzcan en cualquier instante tres de ellos. En la figura 3.3 cuando se dispara

la terminal “a” queda conectado al extremo positivo de la fuente de directa , cuando

dispara la terminal “a” queda conectado al extremo negativo de la fuente de

directa .

Tenemos seis modos de operación durante un ciclo y la duración de cada uno

de ellos es de 60°, siendo la secuencia de disparo de los transistores: 1,2,3 - 2,3,4 -

3,4,5 - 4,5,6 - 5,6,1 - 6,1,2. Las señales de disparo que se ven en la figura 3.4 están

desplazadas 60° entre si, para obtener voltajes (fundamentales) trifásicos balanceados

[17].


32

Figura 3.4. Formas de onda para conducción a 180°.

La tabla 3.1 muestra ocho estados de conmutación. Los transistores de

la figura 3.3 actúan como los interruptores , respectivamente. Si dos

interruptores, uno superior y uno inferior, conducen al mismo tiempo de tal modo que

el voltaje de salida sea , el estado de conmutación es 1, mientras que si esos

interruptores están abiertos al mismo tiempo, el estado de conmutación es 0. Los

estados de 1 a 6 producen voltajes de salida distintos de cero. Los estados 7 y 8

producen voltajes de línea cero, y las corrientes de línea pasan libremente a través de

los diodos superior o inferior de corrida libre. Para generar determinada forma de

onda de voltaje, el inversor pasa de un estado a otro. Así, los voltajes de línea de salida

de C.A. que resultan están formados por valores discretos de voltaje . Para

generar determinada forma de onda, la selección de los estados se suelen hacer con

una técnica de modulación que asegure solo el uso de los estados validos.

Las señales de control de los dos interruptores de un mismo brazo deben ser

complementarias a fin de no cortocircuitar la fuente de alimentación. Además debe

considerarse que los interruptores precisan de un tiempo mínimo, tanto en la apertura

para anular la corriente, como en el cierre para su establecimiento. Por tanto se debe

Señ

ales

a a

plic

ar

en la

bas

e d

e lo

s

tran

sist

ore

s

Ten

sió

n d

e la

salid

a


33

declarar el instante de cierre de un interruptor durante el tiempo de bloqueo

necesario del interruptor complementario de la misma rama [18].

Esta corriente de descarga circulará por los diodos dispuestos en paralelo con

cada interruptor. Una vez que esta corriente sea nula, se permitirá el cierre del

interruptor complementario. Este tiempo de espera se denomina generalmente

tiempo muerto y debe ser respetado y tenido en cuenta durante el diseño.

La inclusión de estos tiempos muertos provocan una deformación de la tensión

entre fases de salida, que será proporcional al valor del tiempo muerto y a la tensión

de la fuente de continua de entrada, e inversamente proporcional al periodo de

modulación. Otro efecto desfavorable de los tiempos muertos es el aumento de la

amplitud de los armónicos de la tensión de salida.

Otros aspectos prácticos a considerar en el diseño del inversor son las pérdidas.

Durante las conmutaciones de los interruptores existirán momentos en que la

corriente que atraviesa el mismo y la tensión entre sus extremos tienen valores

importantes. Por tanto existirán pérdidas en el componente en el momento de la

conmutación (pérdidas en conmutación).

La potencia media disipada dependerá entre otros factores de la frecuencia de

conmutación. También debe considerarse las pérdidas en conducción, debidas a una

caída de tensión residual en el interruptor durante su estado de conducción.

Tabla 3.1. Estados de conmutación de un inversor trifásico de 2 niveles [17].

Estado Nº de estado

Estado de interruptor

Tensiones compuestas

están cerrados, y están abiertos

1 1 0 0 0


2 1 1 0 0


3 0 1 0 0


4 0 1 1 0


5 0 0 1 0


6 1 0 1 0


7 1 1 1 0 0 0


8 0 0 0 0 0 0


34

La carga se puede conectar en estrella o en delta tal y como se muestra

en la figura 3.5. Para una conexión en delta la corriente de fase se obtiene

directamente de la tensión entre líneas. Para una conexión en estrella la

tensión entre línea y neutro viene determinada por la intensidad de línea.

Figura 3.5. Tipos de conexiones.

Existen tres modos de operación por semiciclo. Los circuitos equivalentes que

representan cada modo de operación se muestran en la figura 3.6.

Figura 3.6. Circuitos equivalentes.

Durante el modo 1 para 0 ≤ ω t ≤ π/3 conducen los transistores

(3.1)

a) Conexión delta b) Conexión estrella


35

Durante el modo 2 para π/3 ≤ ω t ≤ 2π/3 conducen los transistores :

(3.2)

Durante el modo 3 para 2π/3 ≤ ω t ≤ π conducen los transistores :

(3.3)

Las figuras 3.7 y 3.8, se muestran las tensiones de fase y de línea

respectivamente.

Figura 3.7. Tensiones de fase del inversor.


36

Figura 3.8. Tensiones de línea del inversor.

La serie de Fourier de la figura 3.8 esta dada por:

(3.4)

La suma esta con n impares ya que los armónicos pares son cero. y

vienen dadas por las siguientes ecuaciones en las que se cambia la fase de la tensión. 120° para y 240° para [16].

(3.5)

(3.6) De la ecuación (3.4) obtendremos que la n-ésima componente de la tensión eficaz de

línea será:

(3.7)


37

por tanto, para n = 1, tendremos la tensión eficaz de línea del fundamental, cuya expresión es:

(3.8) El valor eficaz de la tensión de fase viene dado por :

(3.9)

Para cargas puramente resistivas, los diodos en antiparalelo con los transistores

no conducen, pero para una carga inductiva la intensidad en cada rama del inversor

puede estar retrasada con respecto a la tensión como se muestra en la figura 3.9.

Figura 3.9. Inversor trifásico con carga RL.

Cuando el transistor Q4 de la figura 3.3 está en corte, el único camino para que

circule la corriente negativa de línea es a través de D1, en este caso el terminal

“a” de la carga queda conectado a la fuente de directa a través de D1 hasta que la

intensidad en la carga invierte su sentido para t = t1 . Durante el período entre

, el transistor Q1 no conduce. De igual forma, el transistor Q4 no conducirá

para t = t2.

Co

rrie

nte

de

fa

se

T

en

sió

n d

e f

ase


38

El tiempo de conducción de los transistores y diodos depende de la potencia

entregada a la carga. Para una conexión de la carga en estrella, la tensión de fase es

(3.10)

Con un retraso de 30 , de la ecuación 3.4 obtenemos la intensidad de línea para una carga RLC:

(3.11) Donde:

(3.12)


39

3.3.1. Parámetros de rendimiento del inversor trifásico.

La salida de los inversores prácticos contienen armónicas y la calidad de un

inversor se suele evaluar en términos de los siguientes parámetros de rendimiento

[17].

Factor armónico de la -ésima armónica ( ) El ) , que es una medida

de la contribución individual de esa armónica se define así:

para n > 1 donde V1 es el valor eficaz (rms) de la

componente fundamental, y Von es el valor eficaz de la n-

ésima componente armónica. (3.13)

Distorsión armónica total (THD-Total Harmonic Distortion). La distorsión

armónica total, es una medida de la coincidencia de formas entre una onda y su

componente fundamental, se define como

(3.14)

Factor de distorsión (DF-Distortion Factor) Se diferencia de la anterior en que

detalla a cualquiera de las armónicas que constituye la señal, por el principio de

Fourier. El DF indica la cantidad de distorsión armónica que queda en

determinada forma de onda después de someter a las armónicas de esa onda a

una atenuación o filtrado de segundo orden, es decir, dividirlas entre n2. Se

vuelve entonces una medida de la eficacia de la reducción de armónicos no

deseados, y se define así:

(3.15)

El DF de un componente armónico individual (o el n-esimo) se define como:

para n > 1

(3.16)

Armónica de orden más bajo (LOH-Lowest Order Harmonic) es aquel

componente armónico cuya frecuencia se acerca más a la de la fundamental, y

su amplitud es mayor o igual al 3% de la componente fundamental.


40

3.4. Técnicas de modulación PWM.

3.4.1. Generalidades.

Los métodos de modulación del ancho del pulso (Pulse Width Modulation,

PWM) han sido bastante desarrollados estos últimos años. Éstos determinan las leyes

de conmutación de forma que se reproduzcan lo más exactamente posible las

tensiones de referencia. Las conmutaciones se efectúan a la frecuencia denominada

frecuencia de conmutación; y el control de la tensión de salida se realiza a través de la

“relación cíclica” de los interruptores (relación entre el tiempo de conducción y el

periodo de modulación).

Las técnicas de conmutación de los inversores van de acuerdo a la frecuencia

de conmutación de los interruptores. Estas técnicas pueden agruparse tal y como lo

muestra la figura 3.10. Lo que se busca con las diferentes técnicas de conmutación son

las siguientes características:

• Minimización de los contenidos armónicos de la tensión de salida en el inversor.

• Regulación de la amplitud y frecuencia de salida.

• Equilibrio de las tensiones instantánea de los capacitores, cuando la topología lo

requiere.

Figura 3.10. Técnica de modulación de los inversores. [19].

TÉCNICAS DE

CONMUTACIÓN

CONMUTACIÓN A FRECUENCIA

FUNDAMENTAL BAJA

CONMUTACIÓN A FRECUENCIA ALTA

Modulación en escalera

Cancelación Selectiva

de armónicos

PWM

Digital Modulación Vectorial

svm


41

Dentro de las variantes de las técnicas PWM podemos tener [20].

1. Modulación en anchura de un pulso por semiperíodo.

2. Modulación en anchura de varios pulsos por semiperíodo.

3. Modulación senoidal PWM.

4. Modulación senoidal modificada.

5. Modulación con alternancias positivas y negativas en cada semiperíodo.

6. Modulación en modo de control de la corriente (Por banda de histéresis).

De estas técnicas de modulación profundizaremos en la PWM senoidal ya que

será utilizada en la simulación.

3.4.2. Conceptos básicos de la técnica SPWM. La modulación de ancho de pulso sinusoidal (Sinusoidal Pulse Width

Modulación -SPWM), también conocida como PWM subarmónica, es de las técnicas

más estudiadas y aplicadas en la industria [21,22], debido a su simplicidad y a sus

buenos resultados que garantiza en todos los regímenes de trabajo.

Esta modulación consiste en comparar una señal de referencia de baja

frecuencia conocida como moduladora y otra de alta frecuencia conocida como

portadora, el resultado de esta comparación nos da la disposición de conmutación de

los dispositivos de potencia. Hoy en día se han hecho populares algunas variaciones de

este tipo de modulación como lo es la basada en portadora modificada o la basada en

múltiples moduladoras. El contenido armónico se verá afectado dependiendo de que

si es asíncrona o síncrona.

La modulación SPWM se lleva acabo con la comparación de una señal de baja

frecuencia sinusoidal y una señal de alta frecuencia, por lo general una onda triangular.

Obtenemos como resultado el régimen de conmutación de los dispositivos

interruptores. Cuando las señales se interceptan se genera una disposición para la

conmutación de los interruptores [23, 24,25].

En la figura 3.11, se observa la comparación de una señal sinusoidal de baja

frecuencia, con una de alta frecuencia, así como el resultado de esa comparación, que

es la modulación sinusoidal.


42

Figura 3.11. Generación del SPWM (a) Comparación de señales de alta y baja frecuencia, (b) Régimen de conmutación resultante debido a la comparación.

De la figura 3.12 se deduce que si la amplitud de la señal portadora (señal de

alta frecuencia) es mayor que la amplitud de la señal moduladora (señal de baja

frecuencia), como resultado tendremos un pulso negativo y en forma inversa

obtendremos un pulso positivo. La frecuencia de la señal de baja frecuencia establece

la frecuencia fundamental de la modulación. [23, 24,25]

El inversor de dos niveles debe su nombre debido a que los estados que puede

tomar solo son dos, (+Vd y –Vd), en dicha transiciones es necesario que se introduzca

un tiempo en el que la tensión de salida vale cero.

En la figura 3.12, se muestra donde debe de ir el tiempo muerto (Deadtime),

dado que con dicho tiempo es de vital importancia en este tipo de modulación.

Figura 3.12. Tiempo muerto (Deadtime - DT) en los pulsos polares de salida de un convertidor de dos niveles.

Esta técnica puede ser usada en configuraciones de

Medio puente, puente completo H (monofásicos).

Puente trifásico.

Deadtime


43

3.4.2.1. SPWM para un puente H.

Esta técnica hace variar el ancho de cada pulso en proporción con la amplitud

de una onda sinusoidal evaluada en el centro del mismo pulso [26]. El DF y la LOH se

reducen en forma apreciable. Las señales de control, como se ven en la figura 3.13a, se

generan comparando a una señal sinusoidal de referencia con una onda portadora

triangular de frecuencia . Esta modulación por ancho de pulso sinusoidal (SPWM) es

la que se suele usar en las aplicaciones industriales. La frecuencia de la señal de

referencia determina la frecuencia de la salida del inversor, y su amplitud pico

controla el índice de modulación M, y en consecuencia el voltaje rms de salida . Al

comparar la señal portadora bidireccional con dos señales de referencia, y ,

que se ven en la figura 3.13a, se producen las señales de disparo y ,

respectivamente, como se ve en la figura 3.13b.

El voltaje de salida es = ( - ). Sin embargo, y no se pueden

liberar al mismo tiempo. La cantidad de pulsos por medio ciclo depende de la

frecuencia de la portadora. Dentro de la restricción de que dos transistores de la

misma rama ( y ) no pueden conducir al mismo tiempo, el voltaje instantáneo de

salida se ve en la figura 3.13c. Se pueden generar las mismas señales de disparo con

una onda portadora triangular unidireccional como se ve en la figura 3.13d. Es más

difícil implementar este método, y es preferible. El algoritmo para generar las señales

de disparo es parecido al de la PWM uniforme, excepto que la señal de referencia es

una onda sinusoidal = sen t, en lugar de una señal de C.D. El voltaje de salida es

= ( - ) [16].

Se puede modificar el voltaje rms de salida, variando el índice de modulación M.

Donde (3.17)

M=Índice de modulación.

=Señal de referencia de amplitud.

=Señal portadora de amplitud.

Se puede modificar que el área de cada pulso corresponde, en forma

aproximada, al área bajo la onda sinusoidal, entre los puntos medios adyacentes de los

periodos de apagado de las señales de disparo. Si es el ancho de m-ésimo pulso,

entonces se determinar el voltaje rms de salida mediante la ecuación (3.18).


44

= ( (3.18)

Figura 3.13. Modulación por ancho de pulso senoidal para un inversor puente H.

Señal de referencia

Señal portadora


45

3.4.2.2. SPWM para un puente 3 .

Son aplicables, a los inversores trifásicos, las técnicas de control descritas en la

sección 3.4.1. Sin embargo, las técnicas que se usan con frecuencia para los inversores

trifásicos son las siguientes:

PWM senoidal.

PWM con tercer armónico.

PWM a 60°

Modulación por vector espacial.

La generación de disparo de compuerta con PWMS se ven en la figura 3.14a. En

esta se pueden ver tres ondas senoidales de referencia, y , separadas en

120˚ entre si. Se compara una onda portadora con la señal de referencia que

corresponde a una fase, para generar las señales de compuerta para esa fase. Al

comparar la señal portadora con las fases de referencia y se

reproducen · y , respectivamente, como se ve en la figura 3.14b. El voltaje

instantáneo de salida, de línea a línea, es = ( - ). El voltaje de salida que se

ve en la figura 3.14c se genera eliminando la condición que dos dispositivos de

conmutación en el mismo ramal no puedan conducir al mismo tiempo[17].

Figura 3.14. Modulación por ancho de pulso senoidal para un inversor trifásico.


46

La frecuencia portadora normalizada debe ser múltiplo impar de tres. Así,

todos los voltajes de fase ( , y ) son idénticos, pero desfasados 120˚ y sin

armónicas pares; es mas, las armónicas en frecuencia múltiplos de tres son idénticas

en amplitud y fase, para todas las fases.

Por ejemplo, si el voltaje noveno armónico en la fase a es

(t) = sen ( ) (3.19)

la novena armónica corresponde en la fase b será.

(t) = sen (wt – 120˚) = sen (wt – 1080˚) = sen ( ) (3.20)

Así, el voltaje de línea de salida = - no contiene la novena armónica. Por

consiguiente, para múltiplos impares de tres veces la frecuencia portadora

normalizada , las armónicas en el voltaje de salida de C.A. aparecen a frecuencia

normalizadas centradas en y sus múltiplos; en forma especifica en

N = ± k (3.21)

En donde j = 1,3,5,… para k = 2,4,6,…; para k = 1,5,7,…, de tal modo que n no es

múltiplo de tres. Por consiguiente, las armónicas están en ± 2, ± 4,…,

± 1, 2 ± 5,…, 3 ± 2, 3 ± 4,…, 4 ± 1, 4 ± 5,… Cuando la corriente C.A. de

carga es casi sinusoidal, las armónicas en la corriente de enlace de C.D. están en

frecuencia determinadas por

n = ± k ± 1

en donde j = 0,2,4,… para k = 1,5,7,…, y j = 1,3,5,… para k = 2,4,6,… de tal modo que n =

± k es positivo, y no es múltiplo de tres.

Ya que la amplitud máxima del voltaje fundamental de fase en la región lineal

es /2, la amplitud máxima de voltaje fundamental de línea de salida de ca es =

/2. Por consiguiente, se puede expresar como sigue la amplitud pico:

= M para 0 < M (3.22)

CAPÍTULO

IV

DESCRIPCIÓN TÉCNICA DE

LOS COMPONENTES DEL

SISTEMA

CAPÍTULO IV [DESCRIPCIÓN TÉCNICA DE LOS COMPONENTES DEL SISTEMA ] IPN-ESIME-IE

48

Osciloscopio Maquina síncrona

3 HP, 220 V, 60 Hz

Tm

mA

B

C

Inversor trifásico

g

A

B

C

+

-


m

+

-

m

+

-

Las características del modelo fijan automáticamente

los Ts del tiempo de la muestra

a 1/60 /3240 = 5.14e-6 s

Control PWM Trifasco InversorInversor trifasico de dos niveles

en -Puente de DC/AC

400 CD

Inversor Trifasico de Dos niveles alimentado con celdas de combustible a un motor asincrono de 220 V

IPN-ESIME Zac .Departamento de ingenieria electrica

wm (RPM )

1661rpm

-K-

Discrete,

Ts = 5.144e-006 s.

ir,is (A)

Voltaje RMS

266 .2

V12

v+-

Te (N.m)

Te (N-m)

Signals

Freq

RMS

signal rms

Osciloscopio 5

Osciloscopio 4

Osciloscopio 3

Osciloscopio 2

Osciloscopio 1

Osciloscopio

N (rpm )

Medidor de voltaje 8

v+-


v+-


v+-


v+-


v+-


v+-


v

+

-


v+

-

Medidor de voltaje

v

+

-

Medidor de corriente

i+ -

Maquina asincrona3 HP - 200 V

60 Hz - 1800 rpm

Tm

mA

B

C

IGBT 3_6

g CE

IGBT 3_5

g CE

IGBT 2_4

g CE

IGBT 2_3

g CE

IGBT 1_2

g CE

IGBT 1_1

g CE

[G6_2]

[G4_2]

[G3_2]

[G2_2]

[G1_2]

[G5_2]

m

Generador discreto

PWM 6 pulsos

Pulses

[G6_2][G4_2]

[G3_2]

[G2_2]

[G1_2][G5_2]

Frequencia (Hz)

60 .00

Double click here for info

?


m

+

-

m

+

-

C41e-3

C11e-3

C 31e-2

C 21e-2


<Electromagnetic torque Te (N*m)>

<Rotor current ir _a (A)>

<Stator current is _a (A)>

<Rotor speed (wm)>

Freq (Hz)

<Rotor current id (A)>

<Rotor current iq (A)>

<Stator voltage vs _q (V)>

<Stator voltage vs _d (V)>

<Voltage>

<Current>

Va-b

Va-b

4.1. Diagrama a bloques del sistema Celdas de combustible―inversor

trifásico―maquina asíncrona en Matlab/Simulink.

El sistema esta conformado básicamente por 3 bloques,

1. Celda de combustible(400 C.C).[27]

2. Inversor trifásico IGBT/Diodo.[28]

3. Carga motor asíncrono 3 Hp,220 V, 60Hz).[29]

El modelo simplificado se puede ver en la figura 4.1, mientras que el modelo extendido

se observa en la figura 4.2.

Figura 4.1. Diagrama a bloques del sistema y su respectivo símbolo de Matlab/Simulink.

Figura 4.2. Diagrama del inversor trifásico alimentado con celdas de combustible y carga asíncrona

En los capítulos subsecuentes se explicará cada bloque.

Resultados


49

4.2. Bloque 1. Celda de combustible.

El modelo genérico del apilado de la celda de combustible de hidrógeno se

ilustra en la figura 4.3. Esta se encuentra tomando la ruta BIBLIOTECA Accionamientos

eléctricos / Fuentes Extra.

Figura 4.3. Bloque 1.Celda de Combustible.

El cuadro de dialogo del bloque se muestra en la figura 4.4.

Figura 4.4. Cuadro de parámetros.

Hidrogeno

Aire


50

La descripción detallada de la figura 4.3 se da a continuación:

Selección del modelo (Preset model)

Proporciona un conjunto predeterminado de las curvas de polarización y los

parámetros particulares de las células de combustible en el mercado:

No (definida por el usuario y utilizada en la simulación).

PEMFC - 1,26 Kw – 24V C.C

PEMFC - 6 Kw - 45 VC.C

PEMFC - 50 Kw - 625 VC.C

AFC - 2,4 Kw - 48 VC.C

Seleccione uno de estos modelos preestablecidos para cargar los parámetros

correspondientes en las entradas de la caja de diálogo. Seleccione No (definida por el

usuario) si no quiere utilizar un modelo preestablecido.

Nivel detallado del modelo (Model detail level )

Esta ventana proporciona acceso a dos versiones:

1. Modelo simplificado.

2. Modelo detallado.

En esta tesis trabajaremos el modelo simplificado por lo cual profundizaremos un poco

más.

El modelo simplificado se basa en el circuito equivalente de una celda de combustible.

En la figura 4.5, muestra el circuito equivalente de la celda de combustible.

Figura 4.5. Circuito equivalente de una celda de combustible.

de

la celda


51

El modelo simplificado representa una pila de celdas de combustible que

operan en condiciones nominales de temperatura y presión. Los parámetros del

circuito equivalente se pueden modificar sobre la base de la polarización de la curva

obtenida de la hoja de datos del fabricante, (figura 4.6).

Figura 4.6. Curva característica de una celda de combustible.

La figura 4.4 muestra una típica curva de polarización esta se se compone de

tres regiones: La primera representa la región de activación de caída de voltaje debido

a la lentitud de las reacciones químicas que tienen lugar en las superficies de

electrodos. Dependiendo de la temperatura y presión de funcionamiento, tipo de

electrodo, y el catalizador usado. La segunda región representa la pérdida de

resistencia debido a la resistencia interna de la celda de combustible. La tercera región

representa el transporte masivo de las pérdidas resultantes del cambio en la

concentración de reactivos.

Tensión en circuito abierto (Open circuit voltage)

Las unidades de tensión están dadas en (V).

Punto nominal de funcionamiento (Nominal operating point )

Las unidades de la corriente nominal están dadas en (A) y la tensión nominal en (V).

Punto máximo de funcionamiento (Maximum operating point )

Las unidades máximas de la corriente nominal están dadas en (A) y la tensión

nominal en (V).


52

Para poder ver c/u de las señales se usa un bus selector. En la tabla 4.1 se muestran las señales de salida.

Tabla. 4.1. Señales de salida.

Señal Definición Unidades Símbolo

1 Voltaje

2 Actual

3 Pila de Eficiencia % 4 Pila de consumo [de aire, combustible] slpm

5 Caudal [aire, combustible] l / min

6 Pila de consumo [de aire, combustible] l / min

7 Utilización [de oxígeno, hidrógeno] %

8 Pendiente de la curva de Tafel 9 Intercambio actual 10 Nernst tensión 11 Tensión en circuito abierto

Las condiciones del modelo son:

Los gases son ideales.

La pila es alimentada con hidrógeno y aire.

La pila está equipado con un sistema de refrigeración que mantiene la

temperatura en el ánodo y cátodo salidas estable y en condiciones de igualdad

a la pila de la temperatura.

La pila está equipado con un sistema de gestión del agua para mantener la

humedad dentro de la célula a un nivel apropiado en cualquier carga.

La corriente de salida inferior a 1 A, el voltaje de salida está cerrada a la tensión

en circuito abierto.

Las limitaciones del modelo son:

Reacción química causada por la dinámica de los cambios de presión parcial de

especies químicas en el interior de la celda no se consideran.

La potencia de salida está limitada por la cantidad de combustible y las tasas

de flujo de aire suministrado.

El efecto de la temperatura y la humedad de la membrana de la resistencia

interna no se consideran.


53

4.3. Bloque 2. Inversor trifásico IGBT / Diodo.

La figura 4.7 se muestra el símbolo del IGBT/ Diodo pieza clave para realizar el

inversor trifásico. El bloque se localiza mediante la ruta BIBLIOTECA Electrónica de

Potencia.

Figura 4.7. Símbolo del IGBT/Diodo.

La programación del bloque no toma en cuenta ni la geometría de los

productos ni los complejos procesos físicos. El IGBT / Diodo no puede ser conectado

en serie con un inductor, una fuente de corriente, o un circuito abierto, a menos que el

circuito snubber (tambor de frenaje) este en uso . El cuadro de la figura 4.8 permite

modificar las características del IGBT/Diodo.

Figura 4.8. Cuadro de diálogo y de Parámetros.

IGBT 1_1

g C

E


54

IGBT 3_6

g CE

IGBT 3_5

g CE

IGBT 2_4

g CE

IGBT 2_3

g CE

IGBT 1_2

g CE

IGBT 1_1

g CE

[G6_2][G4_2]

[G3_2]

[G2_2]

[G1_2] [G5_2]

El contenido de la ventana de la figura 4.8 se dan a continuación: Resistencia interna de encendido “Ron” (Internal resistance Ron)

Las unidades de la resistencia Ron del IGBT s están dadas, en Ω.

Resistencia de Snubber Rs (Snubber resistance Rs)

Las unidades de la resistencia de Snubber del IGBT /Diodo están dadas, en Ω.

Este parámetro se ajusta colocando “inf ” para eliminar el snubber del

modelo. Pero en el modelo se colocara una resistencia muy pequeña

de , que servirá como protección al IGBT/Diodo.

Capacitancia del Snubber Cs (Snubber capacitance Cs)

Las unidades del capacitor de Snubber del IGBT /Diodo están dadas, en F.

Este parámetro se ajusta colocando “0” y eliminara el snubber del modelo,

pero si se coloca “inf” obtendremos una resistencia de snubber.

Puerto de medición (Show measurement port)

Si esta seleccionado, simulink añadirá un bloque de salida en el cual mostrará

las señales de corriente y tensión.

En la figura 4.9 muestra el arreglo del inversor trifásico usado en la simulación.

Figura 4.9. Inversor trifásico IGBT/Diodo.


55

Las banderas que contienen *G2_2+…… [G6_2] son los enlaces del programa en

simulink que permitirá a la técnica PWMS controlar los disparos de los IGBT/diodo. En

la figura 4.10 se muestra la parte del programa.

Figura 4.10. Generador PWMS

La figura 4.10 se muestra el símbolo del generador de pulsos PWMS. El bloque

se localiza mediante la ruta BIBLIOTECA Extras/Bloque de control. Dentro del bloque se

tiene acceso al cuadro de dialogo que se muestra en la figura 4.11.

Figura 4.11. Cuadro de dialogo y parámetros


56

El contenido de la ventana de la figura 4.8 se dan a continuación:

Manera de generar los pulsos (Generator Mode)

Especifica el número de pulsos a generar. El número de pulsos es

proporcional al número de ramas. En este caso se ha seleccionado 3 ramas

con 6 pulsos.

Frecuencia portadora (Carrier frequency)

La frecuencia portadora es una señal triangular que trabaja a 1080Hz, señal

que es usada en la simulación.

Generación interna de la señal moduladora (Internal generation of modulating signal)

Debe estar seleccionado, de l contrario no funcionara como Generador.

Índice de modulación (0 <m <1) (Modulation index)

El índice de modulación debe ser mayor que 0, e inferior o igual a 1. Este

parámetro se utiliza para controlar la amplitud de la componente

fundamental de la tensión de salida del puente controlado. Para la señal de

modulación se uso un valor de 0.8.

Frecuencia del voltaje de salida (Frequency of output voltage)

La frecuencia de voltaje de salida esta dada en (Hz). En este caso la señal es

de 60 Hz.


57

3 HP, 220 V, 60 Hz

Maquina asíncrona

Tm

mA

B

C

4.4. Bloque 3. Carga máquina asíncrona.

El modelo dinámico de una máquina asíncrona trifásica representada en

Matlab/simulink se muestra en la figura 4.12. El bloque se localiza mediante la ruta

BIBLIOTECA maquinas.

El bloque de la máquina asíncrona no incluye una representación de las pérdidas de hierro y la saturación. El bloque de la máquina asíncrona funciona en modo motor o generador. El modo de funcionamiento se rige por el signo de la mecánica del par (positivo para motor, negativo para la generación).

Figura 4.12. Máquina asíncrona.

La parte eléctrica de la máquina (figura 4.13) está representado por un modelo de 4º orden en el espacio de estado (ecuaciones 4.1 - 4.4) y la parte mecánica es representado por un sistema de 2º orden, (ecuaciones 4.5 - 4.7). Todas las cantidades del estator y el rotor están en el marco de referencia . Los subíndices utilizados se definen en la tabla 4.2.

Tabla 4.2 Marco de referencia

Subíndice

Definición

d Eje directo

q Eje cuadratura

r Rotor

s Estator

l Dispersión

m Inductancia de magnetización


58

Eje cuadratura Eje directo

Figura 4.13. Sistema eléctrico de la maquina asíncrona.

Las ecuaciones 4.1 - 4.4 rigen el sistema eléctrico de la maquina síncrona:

(4.1)

(4.2)

(4.3)

(4.4)

Las ecuaciones 4.5 - 4.7 rigen el sistema mecánico de la maquina síncrona:

(4.5)

(4.6)

(4.7)

Do

nd

e


59

Los parámetros de las ecuaciones 4.1 - 4.7 se describen en la tabla 4.3.

Tabla 4.3. Parámetros de la máquina asíncrona referidas al estator.

Parámetro

Definición

Resistencia del estator e inductancia de dispersión.

Resistencia del rotor e inductancia de dispersión.

Inductancia de magnetización.

, Inductancia total del estator y rotor.

, Voltaje y corriente del estator en el eje cuadratura q.

, Voltaje y corriente del rotor en el eje cuadratura q.

, Voltaje y corriente del estator en el eje directo d.

, Voltaje y corriente del rotor en el eje directo d.

, Flujo del estator en el eje cuadratura q y directo d.

, Flujo del rotor en el eje cuadratura q y directo d.

Velocidad angular del rotor.

Posición angular del rotor.

Número de pares de polos.

Velocidad angular del rotor ( * ).

Posición angular del rotor ( .

Par electromagnético.

Par mecánico del eje.

Combinación de la inercia del rotor y el coeficiente de carga. Ajustado a infinito, para simular el rotor bloqueado.

Combinación de la carga y la inercia del rotor constante. Ajustado a infinito, para simular el rotor bloqueado.

Combinación del rotor y la carga del coeficiente de viscosidad.


60

En cuadro de la figura 4.14, permite modificar el modelo de la máquina

síncrona , tipo de entrada mecánica, tipo de rotor de la máquina asíncrona, dentro del

bloque principal se tiene tres accesos que son: cuadro de configuración, cuadro de

parámetros y cuadro avanzada.

Figura 4.14. Cuadro de configuración.

Los cuadros de dialogo de la figura 4.14 se dará son.

Selección del modelo (Preset model).

Proporciona un conjunto predeterminado de parámetros eléctricos y mecánicos para

diversas máquinas asíncronas manteniendo la de potencia (HP), tensión de fase a fase

(V), frecuencia (Hz), y la velocidad nominal (rpm).

Entrada mecánica (Mechanical input).

Permite seleccionar el par aplicado sobre el eje o la velocidad del rotor.

Tipo de rotor (Rotor type)

Especifica la ramificación para el rotor bobinado.

Marco de referencia (Reference frame)

Especifica el marco de referencia que se utiliza para convertir los voltajes de entrada

(abc marco de referencia) a la marco de referencia, y las corrientes de salida (

marco de referencia) al marco de referencia abc. Puede elegir entre las siguientes

transformaciones de marco de referencia:


61

Rotor

Estacionario

Síncrono

En cuadro de la figura 4.15, permite modificar los componentes mecánicos y eléctricos de la máquina asíncrona.

Figura 4.15. Cuadro de parámetros.

Los cuadros de dialogo de la figura 4.15 se describen a continuación.

Potencia nominal, voltaje de línea y frecuencia. (Nominal power, voltage line and

frequency).

La potencia nominal aparente esta dada en (VA), voltaje de línea nominal (V) y la

frecuencia (Hz).


62

Resistencia e inductancia del estator (Stator resistance and inductance).

La Resistencia del estator esta dada en (Ω o PU) y la inductancia de dispersión

(H o PU).

Resistencia e inductancia del rotor (Rotor resistance and inductance).

La Resistencia del rotor (Ω o PU) y la inductancia de dispersión (H o PU),

ambos referidos al estator.

Inductancia mutua (Mutual inductance)

La inductancia de magnetización (H o PU).

Constante de Inercia, factor de fricción, y pares de polos. (Inertia constant, friction

factor, and pole pairs).

Coeficiente de inercia de la , coeficiente viscosa de

rozamiento , y el número de polos p.

CAPÍTULO

V

RESULTADOS Y

CONCLUSIONES

CAPÍTULO V [RESULTADOS Y CONCLUSIONES] . IPN-ESIME-IE

64

5.1. Introducción.

En este capitulo se muestran los modelos, resultados y conclusiones de las

simulaciones realizadas en la presente tesis. Se analizan las formas de onda que

describen un inversor trifásico de dos niveles alimentado con Fuente de C.D y con

Celdas de combustible además se adiciono una carga asíncrona.

Se compara la distorsión armónica total (THD por siglas en ingles) del inversor

trifásico alimentado con una fuente de C. D contra un inversor alimentado con celdas

de combustible.

La figura 5.1 representa un esquema, el cual muestra las etapas en las cuales

se realizaron las simulaciones.

Figura 5.1. Etapas de las simulaciones

Inversor trifásico

Celdas de Combustible

Máquina asíncrona

Sin filtroCon filtro capacitivo

Fuente de C.D

Máquina asíncrona


65

5.2. Simulación del inversor trifásico IGBT/Diodo.

Componentes utilizados en la simulación del inversor trifásico.

Fuente de 400 C.D.

Celda de combustible 400 C.C.

Generador de pulsos PWM Senoidal 1080 Hz.

IGBT/Diodo

Capacitancia y

Generador de funciones escalonadas (carga extra).

Maquina asíncrona 3 HP - 220 V 60 Hz - 1800 rpm

Medidor RMS

Medidor de Corriente.

Medidor de voltaje

Osciloscopio

Bloque powergui

Ganancia

Pantalla de valores

A continuación se presentan los modelos simulados del inversor trifásico y sus

respectivas graficas.


66

wm

(RP

M)

1661

rpm

-K-

Dis

cre

te,

Ts =

5.1

44e-0

06 s

.

ir,is (A

)

Vdc

Te (N

.m)

Te (N

-m)

Oscilo

scopio

3

Oscilo

scopio

2

Fre

qO

scilo

scopio

1

N (rp

m)

Medid

or d

e vo

ltaje

2

v+-

Medid

or d

e vo

ltaje

1

v+-

Medid

or d

e vo

ltaje

v+-

Maquin

a a

sín

cro

na

3 H

P - 2

00 V

60 H

z - 1

800 rp

m

Tm

mABC

IGB

T2

_6

g

CE

IGB

T2

_5

g

CE

IGB

T2

_4

g

CE

IGB

T2

_3

g

CE

IGB

T2

_2

g

CE

IGB

T1

_2

g

CE

[G6

_2

]

[G4

_2

]

[G3

_2

]

[G2

_2

]

[G1

_2

]

[G5

_2

]

m

Genera

dor d

iscre

to

PW

M 6

puls

os

Pu

lse

s

[G6

_2

][G

4_

2]

[G3

_2

]

[G2

_2

]

[G1

_2

][G

5_

2]

Fre

quency

(Hz)

60

.00

<E

lectro

ma

gn

etic

torq

ue

Te

(N*m

)>

<R

oto

r cu

rren

t ir_

a (A

)>

<S

tato

r cu

rren

t is_a

(A)>

<R

oto

r sp

ee

d (w

m)>

Fre

q (H

z)

<R

oto

r cu

rren

t id

(A)>

<R

oto

r cu

rren

t iq

(A)>

<S

tato

r volta

ge

vs_q

(V)>

<S

tato

r volta

ge

vs_d

(V)>

5.2.1. Inversor trifásico alimentado con una fuente de C.D y con carga

asíncrona.

El modelo de la figura 5.2, representa un inversor trifásico (VSI) de dos niveles con

modulación PWM, alimentado con una fuente de C.D y con carga asíncrona.

Figura 5.2. Inversor trifásico alimentado con fuente C.D y con carga asíncrona.


67

0 1 2 3 4 5 6

x 104

-200

-100

0

100

200

Tiempo [ s ]

Voltaje

del esta

tor[

V ]

0 2 4 6 8 10 12

x 104

-40

-20

0

20

40

Tiempo [ s ]

Corr

iente

del R

oto

r [

A]

La figura 5.3, muestra la señal de salida del voltaje del estator, los valores están en el

orden de 230 V y -230 V.

Figura 5.3. Señal de Voltaje del estator.

La figura 5.4, muestra la señal de salida de corriente en el rotor. Se aprecia que en

los primeros segundos [0 a .6] la corriente oscila hasta llegar a un punto máximo de

36 [A] .Posteriormente a los [0.6 s] la corriente se estabiliza hasta llegar a 2.5 [A].

Figura 5.4. Señal de corriente del rotor.


68

0 2 4 6 8 10 12

x 104

-40

-20

0

20

40

60

Tiempo [ s ]

Corr

iente

del E

sta

tor

[A]

0 2 4 6 8 10 12

x 104

-20

-10

0

10

20

30

Tiempo [ s ]

Par

Ele

ctr

om

agnetico

[T*m

]

La figura 5.5, muestra la señal de salida de corriente en el estator. Se aprecia que la

corriente oscila en los primeros segundos [0 a .6] la corriente oscila hasta llegar a un

punto máximo 43 [A] .Posteriormente a los [0.6 s] la corriente se estabiliza hasta llegar

a 3.2 [A].

Figura 5.5. Señal de corriente del estator.

La figura 5.6, muestra la señal de salida del par electromagnético de la maquina

asíncrona. Se puede apreciar que el par electromagnético oscila en los primeros

segundos [0 a 0.6] es debido a la corriente de arranque, este par tiene un punto

máximo de 29 [T*m], y posteriormente a los 0.6 s esta se estabiliza hasta llegar a 3.5

[T*m].

Figura 5.6. Señal de salida del par electromagnético.


69

0 0.5 1 1.5 2

x 104

-400

-200

0

200

400

Tiempo [s ]

Voltaje

de lin

ea [

V ]

0 2 4 6 8 10 12

x 104

-500

0

500

1000

1500

2000

Tiempo [ s]

Revolu

cio

nes p

o

min

uto

[R

PM

]

La figura 5.7, muestra la señal de salida de la velocidad del rotor. La maquina

incrementa su velocidad en los primeros segundos [0 a .6] y posteriormente a los 0.6 s

llega a su valor nominal 1795 RPM.

Figura 5.7. Señal de salida de las RPM.

La figura 5.8, muestra la señal de salida del voltaje de línea de la primera rama del

inversor, los valores están en el orden de 400 V y -400 V en un tiempo de 1.5 s.

Figura 5.8. Señal de Voltaje de línea .


70

0 0.5 1 1.5 2

x 104

0

100

200

300

400

500

Tiempo [ s ]

Voltaje

pola

r +

[ V

]

0 0.5 1 1.5 2

x 104

-500

-400

-300

-200

-100

0

Tiempo [ s ]

Voltaje

pola

r -

[ V

]

La figura 5.9, muestra la señal de salida del voltaje polar +, el voltaje es

proporcionado mediante la interconexión del punto medio de los IGBT/Diodo con una

terminal + de la fuente, el valor de tensión es de 400 V.

Figura 5.9. Señal de Voltaje Polar +.

La figura 5.10, muestra la señal de salida del voltaje polar -, el voltaje es

proporcionado mediante la interconexión del punto medio de los IGBT/Diodo con una

terminal - de la fuente, el valor de tensión es de - 400 V.

Figura 5.10. Señal de Voltaje Polar - .


71

Las características del modelo fijan autom

áticamente

los Ts del tiempo de la m

uestra

a 1/60

/3240 =

5.14

e-6 s

Co

ntro

l PW

M

Trifas

co

Inv

ers

or

Inv

ers

or trifa

sic

o d

e d

os

niv

ele

s

en

-Pu

en

te d

e D

C/A

C

40

0 C

D

Inv

ersor T

rifasico d

e Do

s niv

eles alimen

tado

con

celdas d

e com

bu

stible a u

n m

oto

r asincro

no

de 220 V

IPN

-ES

IME

Zac .Dep

artamen

to d

e ing

enieria electrica

wm

(RP

M)

1661rpm

-K-

Discrete,

Ts =

5.144e-006 s.

ir,is (A)

Voltaje R

MS

266.2

V12 v

+-

Te (N.m

)

Te (N-m

)

Signals

Fre

q

RM

S

sig

na

l rms

Osciloscopio

5

Osciloscopio

4

Osciloscopio

3

Osciloscopio

2

Osciloscopio

1

Osciloscopio

N (rpm

)

Medidor de voltaje

8

v+-

Medidor de voltaje

7

v+-

Medidor de voltaje

6

v+-

Medidor de voltaje

5

v+-

Medidor de voltaje

4

v+-

Medidor de voltaje

3

v+-

Medidor de voltaje

2

v

+-

Medidor de voltaje

1

v+-

Medidor de voltaje

v

+-


i+

-

Maquin

a a

sincro

na

3 H

P - 2

00 V

60 H

z - 1

800 rp

m

Tm

mABC

IGB

T3

_6

g

CE

IGB

T3

_5

g

CE

IGB

T2

_4

g

CE

IGB

T2

_3

g

CE

IGB

T1

_2

g

CE

IGB

T1

_1

g

CE

[G6

_2

]

[G4

_2

]

[G3

_2

]

[G2

_2

]

[G1

_2

]

[G5

_2

]

m

Generador discreto

PW

M 6 pulsos

Pu

lse

s

[G6

_2

][G

4_

2]

[G3

_2

]

[G2

_2

]

[G1

_2

][G

5_

2]

Frequencia

(Hz)

60.00


?

Celda de com

bustible

m+-

m+-

C4

1e-3

C1

1e-3

C 3

1e-2

C 2

1e-2

Me

did

or d

e vo

ltaje

2

<E

lectro

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rqu

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(A)>

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(A)>

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m)>

Fre

q (H

z)

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r curre

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(A

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<R

oto

r curre

nt iq

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<S

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r volta

ge

vs_

q (V

)>

<S

tato

r volta

ge

vs_

d (V

)>

<V

olta

ge>

<C

urre

nt>

Va

-b

Va

-b

5.2.2. Inversor trifásico alimentado con celdas de combustible y con

carga asíncrona.

El modelo de la figura 5.11, representa un inversor trifásico (VSI) de dos niveles con

modulación PWM, alimentado con celdas de combustible y con carga asíncrona.

Figura 5.11. Inversor trifásico alimentado con celdas de combustible y con carga asíncrona.


72

0 2 4 6 8 10 12

x 104

-6000

-4000

-2000

0

2000

4000

6000

8000

10000

12000

Tiempo [s]

Corr

iente

del R

oto

r [

A ]

La figura 5.12, muestra la señal de salida de corriente en el rotor, la corriente crece

excesivamente hasta 12,000 [A], esto pone en corto al motor en un tiempo de 10s,

además la señal presenta ruido.



73

Las características del modelo fijan autom

áticamente

los Ts del tiempo de la m

uestra

a 1/60

/3240 =

5.14

e-6 s

Co

ntro

l PW

M

Trifasco

Inv

erso

rIn

versor trifasico

de d

os n

iveles

en -P

uen

te de D

C/AC

400 CD

Inv

ersor T

rifasico d

e Do

s niv

eles alimen

tado

con

celdas d

e com

bu

stible a u

n m

oto

r asincro

no

de 220 V

IPN

-ES

IME

Zac .Dep

artamen

to d

e ing

enieria electrica

wm

(RP

M)

1661rpm

-K-

Discrete,

Ts =

5.144e-006 s.

ir,is (A)

Voltaje R

MS

266.2

V12 v

+-

Te (N.m

)

Te (N-m

)

Signals

Fre

q

RM

S

sig

na

l rms

Osciloscopio

5

Osciloscopio

4

Osciloscopio

3

Osciloscopio

2

Osciloscopio

1

Osciloscopio

N (rpm

)

Medidor de voltaje

8

v+-

Medidor de voltaje

7

v+-

Medidor de voltaje

6

v+-

Medidor de voltaje

5

v+-

Medidor de voltaje

4

v+-

Medidor de voltaje

3

v+-

Medidor de voltaje

2

v

+-

Medidor de voltaje

1

v+-

Medidor de voltaje

v

+-


i+

-

Maquina asincro

na3 H

P - 200 V

60 H

z - 1800 rpm

Tm

mABC

IGB

T3

_6

g

CE

IGB

T3

_5

g

CE

IGB

T2

_4

g

CE

IGB

T2

_3

g

CE

IGB

T1

_2

g

CE

IGB

T1

_1

g

CE

[G6

_2

]

[G4

_2

]

[G3

_2

]

[G2

_2

]

[G1

_2

]

[G5

_2

]

m

Generador discreto

PW

M 6 pulsos

Pu

lse

s

[G6

_2

][G

4_

2]

[G3

_2

]

[G2

_2

]

[G1

_2

][G

5_

2]

Frequencia

(Hz)

60.00


?

Celda de com

bustible

m+-

m+-

C4

1e-3

C1

1e-3

C 3

1e-2

C 2

1e-2

Me

did

or d

e vo

ltaje

2

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m)>

Fre

q (H

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oto

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(A

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oto

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ge

vs_

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)>

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tato

r volta

ge

vs_

d (V

)>

<V

olta

ge>

<C

urre

nt>

Va

-b

Va

-b

5.2.3. Inversor trifásico con filtro alimentado con Celdas de

combustible y con carga asíncrona.

Una vez analizado el modelo anterior se toman medidas extremas con el siguiente

modelo, se adiciona un filtro capacitivo para corregir el error. El modelo de la figura

5.13, representa un inversor trifásico (VSI) con filtro de dos niveles con modulación

PWM alimentado con celdas de combustible y con carga asíncrona.

Figura 5.13. Inversor trifásico con filtro alimentado con Celdas de combustible y carga asíncrona.


74

0 0.5 1 1.5 2

x 105

-200

-100

0

100

200

Tiempo [ s ]

Voltaje

del esta

tor

[ V

]

Una vez que el motor este operando con sus valores nominales, entrara en

funcionamiento una carga externa con valor de 13 N*m que operara en el tiempo de

1.5 s.

En la figura 5.14, muestra la señal de salida del voltaje del estator, los valores están

en el orden de 232V y -232V. Estos valores son aproximados al voltaje nominal del

motor.

Figura 5.14. Señal de Voltaje del estator.

La figura 5.15, muestra la señal de salida de corriente en el rotor. Se apreciar que en

los primeros segundos [0 a 0.75] la corriente oscila hasta llegar a un punto máximo

de 38[A]. Posteriormente a los [0.75s] la corriente se estabiliza hasta llegar 3.4 [A]. Y

en el tiempo de 1.5s la corriente incrementa hasta llegar a 10.5 [A] debido a que entra

la carga externa en funcionamiento.


0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2

x 105

-50

-40

-30

-20

-10

0

10

20

30

40

Tiempo [ s ]

Corr

iente

de l r

oto

r [A

]


75

0 0.5 1 1.5 2

x 105

-20

0

20

40

Tiempo [ s ]

Par

ele

ctr

om

agnetico

[ T

*m]

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2

x 105

-50

-40

-30

-20

-10

0

10

20

30

40

50

Tiempo [s]

Corr

iente

del esta

tor

[ A

]

La figura 5.16, muestra la señal de salida de corriente en el estator. Se apreciar que

la corriente oscila en los primeros segundos [0 a 0.75 s] hasta llegar a 43 [A].

Posteriormente a los [0.75s] la corriente se estabiliza hasta llegar a 3.8 [A]. Y en el

tiempo de 1.5s la corriente incrementa hasta llegar a 11.5 [A] debido a que entra la

carga externa en funcionamiento.

Figura 5.16. Señal de corriente del estator.

La figura 5.17, muestra la señal de salida del par electromagnético de la maquina

asíncrona. Se puede apreciar que el par electromagnético oscila en los primeros

segundos [0 a 0.75] es debido a la corriente de arranque, este par tiene un punto

máximo de 27 [T*m], y posteriormente a los 0.75 s esta se estabiliza hasta llegar a 3.5

[T*m].Pero nuevamente este par incrementa hasta llegar a17 [T*m], debido a que la

carga externa entra en funcionamiento.

Figura 5.17. Señal de salida del par electromagnético.


76

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2

x 105

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1800

2000

Tiempo [ s ]

revolu

cio

nes p

or

min

uto

[ R

PM

]

V Rotor (RPM)

0 0.5 1 1.5 2

x 104

-400

-200

0

200

400

Tiempo [s ]

Voltaje

de lin

ea [

V ]

La figura 5.18, muestra la señal de salida de la velocidad del rotor. La maquina

incrementa su velocidad en los primeros segundos [0 a .75] y posteriormente a los

0.75s llega a su valor nominal 1795 RPM. Pero debida a la carga externa esta

velocidad disminuye hasta llegar a 1648 RPM.

Figura 5.18. Señal de salida de las RPM.

La figura 5.19, muestra la señal de salida del voltaje de línea de la primera rama del

inversor, los valores están en el orden de 400 V y -400 V en un tiempo de 1.5 s.

Figura 5.19. Señal de Voltaje de línea .


77

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7-400

-200

0

200

400Selected signal: 48 cycles. FFT window (in red): 2 cycles

Time (s)

0 10 20 30 40 50 60 70 800

10

20

30

40

Orden del Armonico

Fundamental (60Hz) = 276.9 , THD= 91.53%

Mag (

% o

f F

undam

enta

l)

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7-5

0

5x 10

180 Selected signal: 42 cycles. FFT window (in red): 2 cycles

Time (s)

0 10 20 30 40 50 60 70 800

20

40

60

80

100

Orden del Armonico


Mag (

% o

f F

undam

enta

l)5.3. Análisis de la Distorsión Armónica Total THD del inversor trifásico

alimentado con fuente de C.D y Celdas de combustible con carga

asíncrona.

Se toma como referencia la Distorsión Armónica Total del voltaje del inversor

alimentado con fuente de C.D, tal como se muestra en la figura 5.20. Esta se compara

con la THD producida por señal de salida del voltaje del inversor alimentado con

celdas de combustible (figura 5.21) y Celdas de combustible con filtro (figura 5.22),

todas con carga asíncrona.

Figura 5.20. THD=91.53% del inversor alimentado con fuente de C.D y carga asíncrona.

Figura 5.21. THD=1339.86% del inversor alimentado con celdas de combustible y carga asíncrona.


78

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6-400

-200

0

200

400Selected signal: 42 cycles. FFT window (in red): 2 cycles

Time (s)

0 10 20 30 40 50 60 70 800

10

20

30

40

Orden del Armonico


Mag (

% o

f F

undam

enta

l)

Figura 5.22. THD=91.63% del inversor con filtro alimentado con Celdas de combustible.

La figura 5.20, muestra un THD= 91.53%, por lo tanto genera menor cantidad de

armónicos comparada con las figuras 5.21 y 5.22. De la figura 5.21 tiene un THD=

1339.86%, esto significa que la señal producida por la celda, genera gran cantidad de

armónicos. La figura 5.22 tiene un THD=91.63%, esto significa que se minimizo la

cantidad de armónicos con el arreglo capacitivo.


79

5.4. Conclusiones.

De los resultados se puede concretar utilizando el THD ya que es un parámetro que

permite evaluar la calidad de los inversores:

La figura 5.20, muestra un THD= 91.53%, esto significa que la señal producida por la

fuente de C.D genera menor cantidad de armónicos comparada con las figuras 5.21 y

5.22, por lo tanto se toma como referencia.

La figura 5.21 tiene un THD= 1339.86%, esto significa que la señal producida por la

celda, genera gran cantidad de armónicos, y señales desbalanceadas, ocasionando que

el sistema colapse inmediatamente es por eso que no se muestran graficas en ese

modelo. Es necesario establecer que este modelo no es conveniente llevarlo a un

estado fisco, ya que se tendrían varios problemas

La figura 5.22 tiene un THD=91.63%, esto significa que se minimizo la cantidad de

armónicos con el arreglo capacitivo y la técnica PWM. Este modelo permite simular

perfectamente las condiciones de la maquina y la celda de combustible creando una

semejanza de la fuente de C.D. Este modelo da la posibilidad de llevarlo acabo

experimentalmente.

Los resultados de simulación presentados, exponen las ventajas de trabajar con

Inversores trifásicos alimentados con fuentes renovables. Además el modelo de la

figura 5.13 tiene relevancia ya que puede ser utilizado en la industria-automotriz para

la fabricación de autos híbridos.

VIII

GLOSARIO DE TÉRMINOS

Voltaje Polar. Voltaje de la Fuente.

Corriente de Fase. Voltaje de Línea Voltaje de Fase.

C.A Corriente Alterna. C.D Corriente Directa. C.C Corriente Continua. CSI Inversor Fuente de Corriente (Current Source Inverters). DFIG Generador de Inducción de Doble Alimentación. (Double

Fuel Induction generator). FEM Fuerza Electromotriz. HP Caballos de Fuerza (Horse Power).

IGBT Transistor Bipolar de Compuerta Aislada (Insulated Gate Bipolar Transistor).

kW Kilowatts. MW Megawatts. PWM Modulación por Ancho de Pulsos (Pulse Width

Modulation). RPM Revoluciones Por Minuto. S.D.E. Sistemas de Distribución de Energía. SPWM Modulación por Ancho de Pulsos Senoidal. (Sinusoidal

Pulse Width Modulation). Topología Se refiere a la forma en que están interconectados los

distintos equipos (nodos) de una red. VSI Inversor Fuente de Voltaje (Voltage Source Inverters)

[REFERENCIAS ] IPN-ESIME-IE

80

REFERENCIAS

[1] Instituto de investigaciones legislativas del senado de la república “Nuevas energías renovables: una alternativa energética sustentable para México (análisis y propuesta)”, agosto de 2004. [2] Nakicenovic, Nebojsa, Arnulf Grübler y Alan Mc Donald. “Global Energy

Perspectives” IIASA-WEC-Cambridge University Press. UK -editores-(1998)

[3] ISES, “International Solar Energy ”, (2004).

[4] Teodoro Sánchez, “Celdas de combustible”, Julio 2003.

[5] W. Kramer; S. Chakraborty; B. Kroposki; and H. Thomas: NREL. “Advanced Power Electronic Interfaces for Distributed Energy Systems”; Part 1: Systems and Topologies, March 2008.

[6] Perry R. Chilton C., "Manual del Ingeniero Químico". Vol.I, 2ª Ed.en español, McGrawHill, 1982.

[7] J. Larminie, A. Dicks. “Fuel Cell Systems Explained”, Second Edition (2003). SAE

Bookstore.

[8] Fernández, D., "Estudio de Generación de Energía en base a Celdas de Combustible

en el Ámbito Tecnológico Nacional". Memoria para optar al Título de Ingeniero Civil

Industrial. Universidad Diego Portales, marzo 2001.

[9] Fuel Cells Org. "Fuel Cells 2000", Online Internet. Disponible: www.fuelcells.org

[10] Moisés Alavés, “Celdas de Combustible Laboratorio Electrónica y Energías

Alternas”, CIDEC, MARZO 2008.

[11] Wark, "Termodinámica", 5ªEd., McGrawHill, 1993.

[12] Burghardt M., "Ingeniería Termodinámica". 2ª Ed. Harla, 1984.

[13] Simeón Muñoz y Luis Ernesto, “Celdas de combustible como alternativa

energética”, Buitrago, 2005 internet.

[14] José Manuel Bernament, “Electrónica de Potencia Teoría y aplicaciones”,

Alfaomega, 2000.

http://www.fuelcells.org/

[REFERENCIAS ] IPN-ESIME-IE

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[15] S. Alepuz Menéndez, “Aportación al Control del Convertidor CC/CA de Tres Niveles”, Tesis Doctoral, Universidad Politécnica de Cataluña, España 2004 [16] Aguilar Peña J.D., Gomez Lopez J., Martos Partal M. “Convertidores DC-AC. Colección de apuntes”, Universidad de Jaén 96/97.

[17] Muhammad H. Rashid, Electrónica de potencia. “Control de Voltaje de los inversores monofásicos” (Ed. Prentice may, E.U), 372-381 (1995).

[18] Pietzsch García, Mónica “Convertidores CC/CA para la conexión directa a red de

sistemas fotovoltaicos: comparación entre topologías de 2 y 3 niveles,” Universidad

Politécnica de Catalunya. Departamento de ingeniería Electrónica, 16-may-2009

[19] Domitilo Martínez Hernández, “Control digital para convertidor multinivel

alimentado con energía solar”, Tesis profesional ,11 de mayo de 2006.

[20] Isidro Ignacio Lázaro Castillo Salvador Ramírez Zavala Edgar Ocaña Zavala. “Simulación de un Inversor Monofásico Usando Simulink”, Abril de 2006. [21] Bose, B. K., “Power Electronics and Variable frecuency drives”, IEEE Press, USA, 1997. [22] Chapman, S. J, “Electric Machinery fundamentals”, Mcgraw – Hill, 4ta. Ed. USA, 2005. [23] Microchip, Inc Pic16F683 Datasheet. [24] R. Correa. M.B., Welchko B., Lipo T. “A Trhee – Level MOSFET Inverter For Low Power Drivers”, IEEE Press, U.S.A., 2002. [25] Corzine,Keith “Operation and Design of Multilevel Inverters”, Developed for the Office of Naval Reserch, December 2003 [26] T.Ohnishi y H.Okitsu.”A novel PWM Technique for thee-phase inverter/converter”, International Power Electronics Conference, 1983, Pags.384-395.

[27] MATLAB(R)/Simulink ( R2008a), Electric Drives/Extra Sources,2008

[28] MATLAB(R)/Simulink ( R2008a), Power Electronics ,2008.

[29] MATLAB(R)/Simulink ( R2008a), Machines,2008.

http://upcommons.upc.edu/pfc/browse?type=author&value=Pietzsch+Garc%C3%ADa%2C+M%C3%B3nica

http://upcommons.upc.edu/pfc/browse?type=author&value=Universitat+Polit%C3%A8cnica+de+Catalunya.+Departament+d%27Enginyeria+Electr%C3%B2nica

http://upcommons.upc.edu/pfc/browse?type=author&value=Universitat+Polit%C3%A8cnica+de+Catalunya.+Departament+d%27Enginyeria+Electr%C3%B2nica

[Apéndice A ] IPN-ESIME-IE

82

powergui

Continuous

Osciloscopio

Medidor de voltaje

v+-


m

+

-

m

+

-

APÉNDICE A

Comportamiento de la celda de combustible ante cargas R, L, C y

RLC serie.

Componentes utilizados en la simulación de la celda de combustible.

Celda de combustible 400 C.C

Medidor de voltaje


Resistencia R 15Ω

Inductancia 10

Capacitancia

Osciloscopio

El modelo de la celda de combustible en vacio alimentado es representado en la

figura A.1.

Figura A.1. Celda de combustible en vacio.


83

0 10 20 30 40 50 60399

399.5

400

400.5

401

Tiempo [s]

Voltaje

en la c

arg

a R

[

V ]

La figura A.2, muestra la señal de salida de voltaje de la celda de combustible, al no

tener carga la tensión es constante y se asemeja a una fuente de C.D.

Figura A.2. Señal de salida de voltaje.

El modelo de la celda de combustible con carga resistiva es representado en la

figura A.3.

Figura A.3. Celda de combustible con carga Resistiva.

La figura A.4, muestra la señal de salida de voltaje de la carga resistiva, el voltaje es

de 400 V.

Figura A.4. Señal de voltaje de la carga Resistiva.

powergui

Continuous

Osciloscopio

Medidor de voltaje

v+-


i+-


m

+

-

m

+

-

15 ohm

0 10 20 30 40 50 60399

399.5

400

400.5

401

Tiempo [s]

Voltaje

de s

alid

a [

v]


84

Osciloscopio

Medidor de voltaje

v+-


i+-


m

+

-

m

+

-

10mH

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3

x 105

340

350

360

370

380

390

Tiempo [s]

Voltaje

en la c

arg

a

L [

V ]

La figura A.5, muestra la señal de salida de corriente de la carga resistiva, el valor de la

corriente es de 26.6 [A] valor que se puede obtener mediante la ley de Ohm, no hay

variación de corriente ya que es una carga resistiva.

Figura A.5. Señal de corriente de la carga Resistiva.

El modelo de la celda de combustible con carga inductiva es representado en la

figura A.6.

Figura A.6. Celda de combustible con carga Inductiva.

La figura 5.7, muestra la señal de salida de voltaje de la carga inductiva, el voltaje es

de 392.2 V valor que se aproxima a los 400 V de la celda de combustible, esta

discrepancia se debe a que la inductancia absorbe parte de la energía.

Figura 5.7. Señal de voltaje de la carga Inductiva.

0 10 20 30 40 50 6025.5

26

26.5

27

27.5

28

Tiempo [s]

Corr

iente

en la c

arg

a R

[ A

]


85

0 1 2 3 4 5 6

x 104

0

50

100

150

200

Tiempo [s]

Corr

iente

en la c

arg

a

L [

A ]

powergui

Continuous

Osciloscopio

Medidor de voltaje

v+-


i+-


m

+

-

m

+

-

6uF

0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 40000

100

200

300

400

500

Tiempo [ s ]

Voltaje

en la c

arg

a C

[ V

]

La figura A.8, muestra la señal de salida de corriente de la carga inductiva, el valor de

la corriente es de 150.5 [A]. El valor de la señal debería ser tan grande ya que cuando

el inductor esta conectado a una fuente de C.D se comporta como circuito cerrado,

pero en este caso la celda proporciona C.C con cierta frecuencia y por lo tanto se tiene

una reactancia capacitiva.

Figura A.8. Señal de corriente de la carga Inductiva.

El modelo de la celda de combustible con carga capacitiva es representado en la

figura A.9.

Figura A.9. Celda de combustible con carga capacitiva.

La figura 5.10, muestra la señal de salida de voltaje de la carga capacitiva, el voltaje es

de 450 V, valor que se aproxima a la celda. El capacitor llega a cargarse al mismo nivel

que el de la celda, pero después de cierto tiempo empieza a descargarse hasta

llegar a cero.

Figura 5.10. Señal de voltaje de la carga capacitiva.


86

powergui

Continuous

Osciloscopio

Medidor de voltaje

v+-


i+-


m

+

-

m

+

-

15 ohm

10 mH

6 uF

0 1 2 3 4 5 6 7

x 105

350

400

450

500

550

600

650

Tiempo [ s ]

Voltaje

en la c

arg

a R

LC

[ V

]

0 100 200 300 400 500-5

0

5

10

15

tiempo [ s ]

Corr

iente

en la c

arg

a R

LC

[A

]

El modelo de la celda de combustible con carga RLC es representado en la figura A.11.

Figura A.11. Celda de combustible con carga RLC.

La figura A.12, muestra la señal de salida de voltaje de la carga RLC, el voltaje es

cercano a los 400 V, se aprecia que al inicio que hay un incremento de voltaje superior

a los 600 V, después de un cierto tiempo el capacitor empieza a descargarse hasta

quedar en circuito abierto y manteniendo el voltaje de la celda.

Figura A.12. Señal de voltaje de la carga RLC.

La figura A.13, muestra la señal de salida de corriente de la carga RLC, el valor de la

corriente es de 0 [A], ya que el circuito esta en circuito abierto.

Figura A.13. Señal de corriente de la carga RLC.

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SIMULACIÓN DE UNA INTERFACE DE …tesis.ipn.mx/jspui/bitstream/123456789/5082/1/SIMULACION...V CAPITULO IV. DESCRIPCIÓN TÉCNICA DE LOS COMPONENTES DEL SISTEMA . 47 4.1. Diagrama