DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE UN SISTEMA DE CONTROL POR COMPUTADOR PARA PROTOTIPOS DEMOSTRATIVOS DE CONVERTIDORES DC-AC.

1. INFORMACIÓN GENERAL DEL PROYECTO

TÍTULO: DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE UN SISTEMA DE CONTROL POR COMPUTADOR PARA PROTOTIPOS  DEMOSTRATIVOS  DE CONVERTIDORES DC-AC.

DURACIÓN: 12 MESES

POALABRAS CLAVE: Inversor PWM, inversor multinivel, supervisión, monitoreo, control por computador, LabVIEW, electrónica de potencia, convertidores DC-AC, educación en ingeniería.

1. RESUMEN DEL PROYECTO

Este proyecto se propone el diseño y desarrollo de un sistema de adquisición y control por computador para tres prototipos existentes de inversores monofásicos de uso didáctico en laboratorio con diferentes topologías. Los prototipos corresponden a un inversor de medio puente monofásico, un inversor de puente completo monofásico y un inversor multinivel de conexión en cascada con fuente común con cuatro etapas, todos ellos con aislamiento galvánico entre la parte DC y la parte AC a través de transformadores de baja frecuencia. Cada uno de los prototipos cuenta actualmente con un sistema electrónico de control local en el cual se han implementado las funciones básicas de generación de referencia sinusoidal, la modulación por ancho de pulso y la sincronización con la red eléctrica.

Los resultados derivados del proyecto, permitirán poner en funcionamiento y extraer resultados experimentales de los tres prototipos existentes desarrollados en el seno del Semillero de Investigación en Control y Electrónica de Potencia (SICEP) del grupo D+TEC de la Universidad de Ibagué, los cuales son actualmente usados con propósitos didácticos en el área de electrónica industrial en el programa de Ingeniería Electrónica de la Universidad de Ibagué.

1. DESCRIPCIÓN DEL PROYECTO

1. Planteamiento del problema y su justificación

Los inversores son convertidores DC-AC que poseen interruptores de potencia conmutados a través de una señal de control que permiten convertir el voltaje DC de su entrada en un voltaje AC, con la amplitud y frecuencia que se desee. Existen diferentes topologías de potencia, las más básicas son: medio puente (Half-Bridge) y puente completo (Full-Bridge). Existen otras topologías más complejas que se clasifican dentro del grupo de inversores monofásico multinivel. Actualmente, los inversores tienen gran relevancia las aplicaciones de generación eléctrica industrial y residencial debido a la creciente demanda de fuentes de alta potencia en corriente alterna con baja distorsión armónica y de generadores de corriente alterna que funcionen a partir de paneles solares, baterías, celdas de combustible y otros.

Con el fin de argumentar y entender mejor el funcionamiento de los inversores, a partir del año 2012, el Semillero SICEP se interesó por el estudio, diseño, implementación y aplicación de los convertidores DC- AC. En un primer trabajo se desarrollaron dos prototipos de inversores monofásicos controlados usando modulación de ancho de pulso (PWM, Sigla en inglés; Pulse Width Modulation), uno de medio puente y otro de puente completo, los cuales fueron construidos con aislamiento a base de transformadores de baja frecuencia [1]. Dando continuación a este trabajo, se desarrolló un proyecto para integrar un sistema automático para la sincronización con la red [2]. Simultáneamente con estos trabajos, se desarrolló un prototipo de inversor monofásico multinivel asimétrico en cascada con fuente común de cuatro etapas [3].

Hasta el momento, los prototipos de inversores se encuentran funcionales y son utilizados con fines didácticos en sesiones demostrativas guiadas por el docente. Sin embargo, a partir de la experiencia en el uso de los prototipos, se evidencia una gran oportunidad para maximizar su aprovechamiento al integrar un sistema de control automático para regulación de tensión y la limitación de la distorsión armónica de tensión. Estas nuevas propiedades de los prototipos pueden ser complementados con una aplicación de computador que permita modificar en tiempo real ciertos parámetros de control y configuración. Estas mejoras enriquecen las posibilidades de aprovechamiento de los prototipos en la enseñanza de la electrónica de potencia en Ingeniería Electrónica o de las técnicas de control de sistemas de estructura variable en la Maestría en Ingeniería de Control. No obstante, este sistema también puede ser usado en capacitaciones no formales orientadas al entendimiento de los inversores que hoy están presentes en los  hogares, fincas y diversas aplicaciones industriales.

1. Estado del arte de la investigación

Es común asociar la sistematización de la enseñanza y la didáctica, con las aplicaciones virtuales o con  el uso de herramientas colaborativas. En el campo de la electrónica de potencia se puede identificar un número importante de desarrollos en esta vía [4]-[6]. Algunos de ellos hacen evidente la intención pedagógica, y específicamente para la electrónica de potencia, se destacan los trabajos en los que se integra la didáctica y el uso de herramientas computacionales [7]. Todas estas herramientas pueden clasificarse en grandes grupos como son: Laboratorios virtuales, herramientas didácticas de enseñanza (orientadas al docente), herramientas didácticas de aprendizaje (orientadas al estudiante), plataformas de enseñanza, plataformas de apoyo didáctico u otras. Muchos de los desarrollos recientes en el área de los desarrollos didácticos para la enseñanza de la electrónica de potencia están relacionados con inversores o contienen herramientas aplicadas en inversores, lo que muestra el nivel de relevancia que puede tener esta temática y su aplicación [8]-[12].

En el programa de Ingeniería Electrónica de la Universidad de Ibagué se ha incursionado en esta área de la educación en ingeniería dedicada al desarrollo de herramientas didácticas. Entre los trabajos desarrollados se destaca la propuesta de una plataforma didáctica para la enseñanza de electrónica de potencia [13], el desarrollo de una aplicación de computador para la enseñanza de la electrónica de potencia especializada en el área de convertidores DC-DC [14], y el planteamiento de diferentes estrategias metodológicas entre las que se expone el uso de los prototipos que son objeto de estudio en el presente proyecto [15].

1. Marco teórico

1. Inversores

Los convertidores de potencia DC-AC cumplen con la función de convertir un voltaje de entrada DC a un voltaje simétrico a la salida AC, con la amplitud y frecuencia requerida. El funcionamiento consiste en descomponer la tensión continua de una forma predeterminada, por lo que se hace necesaria la utilización de filtros pasivos para conformar una tensión de salida sinusoidal [16]-[17]. Los inversores están construidos a partir de interruptores electrónicos, tales como el MOSFET o el IGBT, diodos de potencia y elementos pasivos tales como inductores y capacitores. Suelen clasificarse de manera simple según el número de fases, en donde se reconocen los inversores monofásicos y los inversores trifásicos. Sin embargo, como se muestra en la figura 1, varios son los puntos de vista con respecto a la  clasificación de estos.

[pic 7]

Figura 1. Clasificación de los inversores. Fuente: Universidad Carlos III de Madrid. [18]

La etapa de control de un inversor está conformada por un generador de señal de referencia o señal moduladora (la cual es una sinusoide) y un sistema de conmutación que permite obtener las señales de control de los interruptores. La amplitud de la salida viene determinada por la amplitud relativa de la señal de referencia. Se conocen dos topologías convencionales de inversores monofásicos: La configuración  de medio puente (Half-Bridge) y la configuración de puente completo (Full-Bridge). Su principio de funcionamiento se basa en el empleo de interruptores electrónicos con el fin de conducir y bloquear las tensiones e invertir la polaridad.

1. Inversores multinivel

Un inversor multinivel (multilevel inverter–MLI) es un convertidor DC/AC que permite obtener una salida de voltaje alterno a partir de diferentes niveles de voltaje continuo. Las ventajas de la tecnología del MLI radican en la reducción de la frecuencia de conmutación, disminución del voltaje manejado en cada dispositivo, y de los armónicos en la señal de salida, para ello se han dispuesto diversas topologías que dependerán de la potencia y voltaje en la aplicación donde comúnmente se usa alimentación monofásica para potencias de hasta 2KVA y aquellas que sobrepasan tal valor se suministran mediante sistemas trifásicos, por tanto se han diferenciado tres topologías básicas que consisten en MLI con diodo fijador (DC-MLI), MLI con capacitor flotante (FC-MLI) y MLI en cascada con puente-H (CHB-MLI) [19]. A partir de las topologías básicas se han elaborado nuevas propuestas híbridas y asimétricas híbridas con el fin de ofrecer ventajas en aplicaciones diversas que pueden estar tanto en alta potencia [20]-[21], como sistemas de baja potencia [22]-[23].

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