Inversor Trifasico Tesis MedinSilvaL.a Fdocx

7/23/2019 Inversor Trifasico Tesis MedinSilvaL.a Fdocx

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INSTITUTO POLITCNICO NACIONAL

ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERA

MECNICA Y ELCTRICA

DISEO DE UN INVERSOR DE CORRIENTE ELCTRICA

CON SELECTOR MANUAL DE CONEXIN POR FASES A LA

SALIDA

TESIS

QUE PARA OBTENER EL TTULO DE INGENIEROELECTRICISTA

PRESENTA

LUIS ALBERTO MEDINA SILVA

ASESORES

ING. JOS LUIS DELGADO MENDOZA

ING. EVERARDO LPEZ SIERRA

MXICO, D.F. MAYO DEL 2014


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DEDICATORIA

Este trabajo se lo de dedico toda mi familia que siempre me han apoyado en todo

momento, an a pesar de las circunstancias, siempre han estado a mi lado, y enespecial a mi mam por ser mi bastin en todo lo que he hecho.


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AGRADECIMIENTOS

Gracias a Emilio mi pap, por su apoyo y darme todo siempre.

Gracias Ivan mi hermano, por aguantarme y por ser mi hermano.

Gracias a Vania mi hermana, porque se lo mucho que me quiere y que siempre

me frecuenta.

Gracias a Ofelia mi mam, por cuidarme desde siempre y preocuparse por m,

ayudndome a crecer como persona.

Especiales agradecimientos a mis profesores que contribuyeron en este trabajo, a

Everardo por insistir en hacer este trabajo gracias. A Jos Luis por aceptar ser mi

asesor tcnico y ayudarme a terminar este trabajo.

Gracias a todos los que de alguna manera influyeron para poder lograr este

trabajo, gracias a mi ta Lolita por todo.

Gracias a dios.

Gracias, totales


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I. RESUMEN.

En este trabajo se podr encontrar el diseo de un inversor de corriente elctrica

con selector manual de conexin por fases a la salida, el cual surge de la necesidad

de no contar con fuentes de energa elctrica de emergencia, mviles yeconmicas, adems de brindar una buena calidad, un alto nivel de rendimiento y

altos niveles de potencia.

De ah que en cuatro captulos se aborde todo lo referente a un inversor trifsico

que satisfaga las necesidades anteriormente mencionadas, tratando de abordar

todos los temas relacionados con los inversores de corriente elctrica monofsicos

y trifsicos, as como sus circuitos de control, de forma puntual para una sencilla y

fcil comprensin.

En los captulos uno y dos se abordan la informacin bsica y necesaria para

desarrollar el proyecto de la mejor forma, tratando temas como definicin de un

inversor de corriente elctrica, los tipos de inversores que se emplean ms en la

actualidad, su topologa y los elementos que lo componen. Incluyendo los mtodos

por los cuales se controla a los inversores ms empleados, se comparan y

muestran las ventajas y desventajas de dicho mtodos de control.

Para el captulo tres que es el estudio tcnico y econmico, se resea las razones

de eleccin de los elementos y como es que trabajan, adems se muestra la

simulacin de dicho inversor utilizando el software OrCadPspice 16.0. Aqu se

determina la viabilidad econmica del inversor, al presentarse una cotizacin del

inversor completo y un supuesto uso peridico del inversor, en ella se incluye una

comparacin entre el uso peridico de dicho inversor y lo compara con el generadorsncrono o planta de emergencia a gasolina.


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II. INTRODUCCIN.

El presente trabajo aborda el diseo de un inversor de corriente elctrica con

selector manual de conexin por fases a la salida, dicho diseo es motivado porlas necesidades observadas en algunas situaciones de trabajo, en donde por un

lado se utiliza la corriente elctrica para distintos usos (trabajos), y por el otro no se

cuenta con una conexin elctrica fija.

En este proyecto se explica el diseo del inversor tomando en cuenta la

importancia que estos equipos tienen en la actualidad y la relevancia de sustituir

las grandes maquinas generadoras mviles por estos inversores, que,

comparados a los ya mencionados generadores, su tamao es significativamente

menor.

Dependiendo de los usos donde se emplee el inversor, puede necesitarse distintos

tipos de conexiones; monofsica dos hilos, trifsica tres hilos, trifsica cuatro hilos,

etctera, esto depender del instrumento elctrico utilizado. Este inversor

presentar distintos tipos de conexiones, adecuados a la carga que alimenta,

resultado de la seleccin de conexin por fases a la salida, debido a esto, las

aplicaciones de este equipo pueden adecuarse a las situaciones donde el

operador decida utilizar.

Un inversor de corriente, modo de operacin del inversor, los dispositivos que lo

componen, en donde y para que puede ser empleado, son algunos conceptos que

se abordan en este proyecto, as como la caracterstica innovadora que en particular

este proyecto presenta.


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III. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA.

El espacio donde hay una subestacin elctrica debe ser exclusivo para ello, por lo

que solo debe haber lo necesario. Al realizar actividades de reparacin o

mantenimiento dentro de una subestacin elctrica, generalmente se utilizan

herramientas que requieren para su funcionamiento energa elctrica, si dichas

herramientas utilizan una tensin mayor a 127 volts, seguramente no habr puntos

de conexin comunes para conectar estas herramientas, por lo que se requiere

conectarse directamente al tablero principal donde si hay esas tensiones, sin

embargo, esto resulta altamente riesgoso. En la actualidad, la solucin a esta

situacin es el uso de una fuente de energa secundaria o externa a la subestacin

para alimentar dicha herramienta. Estas fuentes secundarias o externas son lasplantas de emergencia. En el caso de un mantenimiento preventivo donde se realizan

pruebas a las partes que componen una subestacin elctrica, el suministro de

energa se deshabilita por completo, entonces ya no hay fuentes de energa y la nica

solucin es el uso de las fuentes secundarias o externas a la subestacin.

Con el diseo del inversor de corriente elctrica con selector manual de

conexin por fases a la salida, se resolver el problema que presenta no contar

con energa elctrica cuando se realiza un mantenimiento preventivo a una

subestacin elctrica?


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IV. JUSTIFICACIN.

Durante el mantenimiento a subestaciones elctricas donde se debe filtrar el aceite

de los transformadores, se toma la energa directamente del tablero de conexin lo

que resulta altamente riesgoso y retrasa las actividades, porque al no estar

desenergizada la subestacin, el mantenimiento no se puede realizar por completo.

Es decir, cuando se tiene una maquina filtradora de aceite conectada al tablero

principal de la subestacin elctrica, no es posible realizar el mantenimiento por

completo, (realizar pruebas a los transformadores de relacin de transformacin,

pruebas de aislamiento y hacer limpieza en el interior de la subestacin si es tipo

compacta) porque la subestacin elctrica y por consecuencia el transformador

siguen energizados. Para dar solucin a este contratiempo se pueden implementarfuentes de energa secundarias, como lo son, mquinas de emergencia sncronas a

disel y mquinas de emergencia a gasolina, para alimentar a la maquina filtradora

de aceite, y a servicios propios del mantenimiento. As como este ejemplo hay

diversos eventos en los que es necesario una maquina con conexin trifsica.

De implementar el diseo del inversor de este proyecto, se reducira el uso de

generadores sncronos mviles y plantas de emergencia a gasolina de

caractersticas similares al inversor propuesto en este proyecto, manteniendo la

potencia adecuada y volviendo estas actividades menos riesgosas.


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V. OBJETIVOS.

V.I. OBJETIVO GENERAL

Disear un inversor de corriente elctrica con selector manual de conexin por

fases a la salida.

V.II. OBJETIVO ESPECFICO

Conocer que es un inversor de corriente elctrica.

Colocar a la salida del inversor un selector manual que permita

realizar distintos tipos de conexiones de una, dos y tres fases

Controlar la corriente y por ende la potencia que proporcione

el inversor segn lo demande la carga.

Reducir los costos de operacin causados por retrasos de tiempo en

los mantenimientos a subestaciones elctricas.

Concluir la viabilidad del proyecto.


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NDICE

CAPTULO1 INVERSOR DE CORRIENTE ELCTRICA ......................................... 1

1.1DEFINICIN DE INVERSOR DE CORRIENTE ELCTRICA .......................... 1

1.1.1MODULACIN PWM ................................................................................ 2

1.1.2 INVERSORES MULTINIVEL ..................................................................... 3

1.1.3 INVERSORES CON PUENTE H Y EN CASCADA ................................... 6

1.2TOPOLOGA DE LOS INVERSORES ........................................................... 12

CAPTULO 2 CARATERISTICAS Y ELEMENTOS QUE COMPONEN A UNINVERSOR.............................................................................................................. 16

2.1ELEMENTOS PRINCIPALES DE UN INVERSOR ........................................ 16

2.1.1CIRCUITO CONTROLADOR DEL INVERSOR ...................................... 17

2.1.2MODULACIN POR ONDA PORTADOR Y POR HISTRESIS ............ 18

2.2TRANSFORMADORES Y TIPO DE CONEXIONES ...................................... 21

2.2.1BANCO DE ACUMULDORES ................................................................ 28

CAPTULO 3 DESARROLLO ................................................................................. 31

3.1ESTUDIO TCNICO ...................................................................................... 31

3.1.1CIRCUITO CONTROLADOR (CIRCUITO DE DISPARO) ...................... 33

3.1.2CIRCUITO DISEADO PARA LA SIMULACIN ................................... 35

3.1.3RESULTADOS DE LA SIMULACIN ..................................................... 38

3.2ESTUDIO ECONMICO ................................................................................ 44

3.2.1COSTO DEL INVERSOR ........................................................................ 44

3.2.2USO DEL INVERSOR ............................................................................. 45

3.2.3COMPARACIN DEL INVERSOR CON UNA PLANTA DEEMERGENCIA A GASOLINA ................................................................. 46

3.2.4TAZA DE AMORTIZACIN .................................................................... 46


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CAPTULO 4 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES .................................... 47

4.1CONCLUSIONES .......................................................................................... 47

4.2RECOMENDACIONES .................................................................................. 48

4.3 TRABAJOS FUTUROS ................................................................................... 49

REFERENCIAS....................................................................................................... 50

NDICE DE TABLAS ............................................................................................... 52

NDICE DE IMGENES .......................................................................................... 53

GLOSARIO DE TRMINOS TCNICOS Y SIGLAS .............................................. 55

ANEXOS ................................................................................................................. 57


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CAPTULO 1 INVERSOR DE CORRIENTE ELCTRICA

1.1 DEFINICIN DE INVERSOR DE CORRIENTE ELCTRICA

La funcin principal de los inversores es generar una corriente alterna a partir de

una fuente de corriente continua.

Los inversores se ubican en la electrnica de potencia en el campo de la

conversin de energa elctrica y tienen como funcin principal el generar una

seal sinusoidal con amplitud y frecuencia variable a partir de fuentes CD. De

acuerdo a su fuente de alimentacin los inversores se clasifican en: inversores con

fuente de corriente (CSI) e inversores con fuente de tensin (VSI). Dentro de estos

dos grupos existen varias configuraciones, sin embargo, para el caso de los

accionamientos elctricos de baja y mediana potencia la topologa tpica es el

inversor trifsico de dos niveles en puente completo de la figura 1.1.

Este esquema est formado por un conjunto de seis transistores de potencia, con

6 diodos alimentados por una fuente de tensin de CD.

Figura 1.1. Inverso r trifsico VSI de dos n iveles en p uente co mp leto.


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Cada par de transistor-diodo opera en los estados de corte o saturacin

comportndose como un interruptor bidireccional. A partir del estado de los

interruptores, los terminales de salida de cada rama toman los valores de tensin

que proporcionan los capacitores con respecto a la terminal central de fuente de

CD. La secuencia de conmutacin que siguen los interruptores viene impuesta por

un proceso previo de modulacin que ser el que determine las caractersticas de

la seal de salida, entre ellas: forma, amplitud, frecuencia y contenido armnico.

1.1.1 MODULACIN PWM

Actualmente existe gran variedad de tcnicas de modulacin utilizadas en el control

de inversores trifsicos; una tcnica empleada que deriva sus bases del rea de

las telecomunicaciones es la modulacin por ancho de pulso (PWM Pulse

Width Modulation). Dentro de esta tcnica se han propuesto diversos algoritmos

de modulacin, cada uno pretendiendo mejorar alguna caracterstica dentro del

proceso, por ejemplo: las prdidas por conmutacin, la eficiencia de la conversin

o el contenido armnico presente en la onda de salida. En los accionamientos

elctricos, esta ltima caracterstica es de gran importancia debido a la cantidad de

efectos indeseables que provocan las seales armnicas al atravesar losdevanados del motor; entre ellos se destacan: distorsiones en la onda sinusoidal,

reducciones del factor de potencia, incremento de las prdidas en la mquina,

sobrecalentamientos, vibraciones, reduccin del par til de la mquina y de la vida

til del motor. Entonces de ah que el contenido armnico en la operacin del

inversor puede ser mejorado significativamente realizando una modulacin en

funcin de una seal sinusoidal y propone el algoritmo de modulacin PWM

sinusoidal (SPWM-sinusoidal PWM); a partir de entonces, se inicia el desarrollode los algoritmos PWM modernos.


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1.1.2 INVERSORES MULTINIVEL

Como se mencion en el tema 1.1 el inversor convierte corriente continua a

corriente alterna partir de una fuente de un corriente continua. Entonces, si dicha

fuente de corriente continua se dividiera en varias fuentes de menor valor, sera

posible generar una corriente de salida alterna con niveles de tensin escalonados

utilizando inversores multinivel.

Los inversores multinivel, incluyen un arreglo de semiconductores y fuentes de

tensin, para formar una tensin de salida escalonada. Las conmutaciones de los

semiconductores permiten la suma o resta de las distintas fuentes de corriente

continua, generando una onda de tensin de amplitud variable. As tambin, los

semiconductores trabajan con tensiones ms reducidas. En la figura 1.2 muestra

algunos diagramas esquemticos de inversores con diferente nmero de niveles,

en los cuales, la accin del semiconductor est representada por un interruptor

ideal con distintas posiciones. Un inversor de dos niveles, como el mostrado en la

figura 1.2 (a), genera una salida de corriente con dos valores (niveles) distintos, VC

y Cero, con respecto al terminal negativo de la fuente (0), mientras que un

mdulo de tres niveles genera tres tensiones distintos a la salida (2VC, VC y

Cero), y as sucesivamente. Las distintas posiciones del interruptor ideal seimplementan en la prctica con una cantidad de semiconductores que est en

directa relacin con el nmero de niveles.


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Figura 1.2. Esqu ema de un Inverso r de (a) dos n iveles, (b) tres niveles y (c) m niveles d e [1]

Como se dijo anteriormente, los inversores multinivel constan de pequeas

fuentes de CD, las que son usadas para formar una onda de corriente alterna

(CA) escalonada que se parezca a la onda deseada. Por ejemplo, si se tienen

diez fuentes de CD de magnitudes iguales a 20V cada una, se puede obtener

una onda compuesta de 11 niveles (cinco positivos, cinco negativos y cero, con

respecto a un punto intermedio entre las diez fuentes) que se aproxima a una

onda sinusoidal de amplitud 100V como muestra la figura 1.3.


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Figur a 1.3. Onda de tencin mu lt inivel, usand o 11 niveles de [2]

Con esto se puede concluir, que a mayor nmero de niveles del inversor, mayor es

la cantidad de niveles de la onda, obteniendo menor distorsin armnica.

Algunas caractersticas de los Inversores Multinivel son:

a) Pueden generar tensiones de salida con muy poca distorsin.

b) Las corrientes de entrada son de muy baja distorsin.

c) Generan tensiones de bajo valor de modo comn, protegiendo los motores.

Ms an, utilizando sofisticados mtodos de modulacin, la tensin de

modo comn puede ser eliminado.d) Pueden operar con baja frecuencia de conmutacin.


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1.1.3 INVERSORES CON PUENTE H Y EN CASCADA

De acuerdo con Berton (2003) se puede aumentar el nmero de niveles de los

inversores sin aumentar el nmero de fuentes de tensin, utilizando la

configuracin de los Puentes H. Estos puentes se construyen utilizando dos

inversores multinivel idnticos, de alguno de los tipos mostrados en la figura 1.5.

Esto permite a la carga evitar el retorno directo hacia las fuentes de tensin

continua y elevar el nmero de niveles de n+1 a 2n+1. Una configuracin

generalizada de un puente H como el mencionado se ilustra en la figura 1.4.

(Berton, 2003, p. 10).

Figu ra 1.4. Puente H Generalizado, con n fuentes y m = 2n+1 nivelesde [1]


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Figura 1.5. Conf iguracin de un inversor de pu ente "H" de tres niveles

De acuerdo con Berton (2003) en esta configuracin de puente H (figura 1.5) se

genera una seal de 3 niveles, un tiempo en alto (+VCD) un tiempo en cero y uno

ms en bajo (-VCD), definiremos al tiempo en alto como 1, al tiempo en cero como

0 y al tiempo en bajo como -1 para explicar el funcionamiento de esta configuracin.

Para obtener +VCD, los semiconductores S1 y S4 se ponen en conduccin (1),

mientras que S2 y S3 estn en estado de no conduccin (0). Encendiendo los

semiconductores S2 y S3 y apagando S1 y S4, se obtiene VCD. Con las

combinaciones S1 y S2 o S3 y S4 en estado encendido se obtiene una tensin de

salida de amplitud cero. Cualquier otra combinacin no es permitida pues

provocar un cortocircuito en la fuente CD del mdulo. En la tabla 1.1 se muestra la

tensin de salida Vab.(Berton, 2003, p. 12).

Tabla 1.1. Tensin de salida del puente H y estado d e los semico ndu ctores

S1 S2 S3 S4 Vab

1 0 0 1 1

1 1 0 0 0

0 0 1 1 0

0 1 1 0 -1


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En la figura 1.6 se muestra el diagrama de conexin para un Inversor en Cascada

de dos etapas. Este inversor puede generar tensiones de salida que van desde

2VCD a +2VCD con cinco niveles diferentes (dos en el semiciclo positivo, dos en el

semiciclo negativo y el cero, con escalones iguales a VCD). Para conseguir los

diferentes niveles de tensin se debe utilizar la secuencia de conmutacin que se

muestra en la tabla 1.2, la que se construy siguiendo la secuencia de la sinusoide

de la figura 1.6. Adems, se puede apreciar los diferentes niveles de tensin.

Figura 1.6. Conf iguracin de un inversor d e 2 etapas con d os pu entes H en cascada y 5 niveles de [1]


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Tabla 1.2. Tensin de salida y estado de los semico ndu ctores d e la con figuracin de la figur a 1.6

S1A S2A S1A ' S2A ' S1B S2B S1B ' S2B ' Vac

1 1 0 0 1 1 0 0 0

1 0 0 1 1 1 0 0 1

1 0 0 1 1 0 0 1 1*21 0 0 1 0 0 1 1 1

0 0 1 1 0 0 1 1 0

0 1 1 0 0 0 1 1 -1

0 1 1 0 0 1 1 0 -1*2

0 1 1 0 1 0 0 0 -1

Una forma para aumentar an ms el nmero de niveles sin hacer crecer el

nmero de fuentes de tensin independientes en forma desmesurada, es haciendouso de una configuracin de inversores en cascada, es decir, la aplicacin

combinada de inversores Puente H. La onda de salida del inversor se forma

mediante arreglos de conmutacin en el tiempo de varios puentes Hconectados

en cascada. As, la tensin de salida corresponde a la suma (o tambin diferencia)

de las tensiones de cada uno de los mdulos puente H.

En la figura 1.7 se muestra un la configuracin de un inversor para una fase de

puentes Hen cascada con fuentes independientes, dando como resultado a la

salida una seal de tensin con 9 niveles.


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Figura 1.7. Esta f igura mu estra una fase de un inversor en c onf iguracin pu entes H en cascada, 4 etapasy 9 niveles. La forma de onda c orrespond e a la sal ida de Vac

Los inversores puentes H en cascada usan fuentes CD independientes para

cada etapa, como se muestra en la figura 1.7. Como se dijo anteriormente, la

salida de cada puente Hgenera tres tensiones diferentes, que combinados con

el resto de los puentes H, genera una onda de salida sinusoidal escalonada.


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Las fuentes de CD independientes de cada etapa pueden ser de dos tipos: iguales

o escaladas. Un ejemplo de etapas con fuentes iguales (o no escaladas) se

presenta en la figura 1.7, donde cada puente Hest alimentado por una fuente de

igual magnitud. La opcin de puentes con fuentes escalonadas presenta la ventaja

de poder obtener un mayor nmero de niveles. Por ejemplo, si las fuentes de

CD de la figura 1.7 fueran escalonadas en potencias de dos, se obtendran hasta

31 niveles de tensin, si se opta por un escalonamiento en potencias de tres, se

pueden obtener hasta 81 niveles. Sin embargo, el escalonamiento elegido para las

fuentes no es al azar y requiere de un estudio previo.


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1.2 TOPOLOGA DE LOS INVERSORES

Previamente, a este captulo se han abordado distintas configuraciones de

inversores, con distintos semiconductores, solo falta complementar algunas

topologas adicionales que se pueden realizar, esto se har resaltando la

configuracin con puentes H en cascada debido a la potencia que permite

manejar y la poca distorsin que se logra con este tipo de inversores.

Inversor de puentes en H en Cascada de 2 etapas 5 niveles con Fuente Comn.

Utilizando un esquema similar al del inversor con fuentes independientes (figura

1.6), pero utilizando transformadores en la salida, se puede construir un inversormultietapa con fuente comn. En la figura 1.8 se puede observar el diagrama de

un inversor de este tipo de dos etapas.

Como puede observarse, a diferencia del inversor con fuentes independientes,

ambos puentes estn alimentados desde una misma fuente de CD, adems la

relacin de transformacin de los transformadores es la misma. Este inversor es

equivalente al inversor multietapa en cascada con fuentes independientes, por

lo tanto, es capaz de generar cinco niveles de tensin (dos positivos, dos

negativos y cero). Para generar estos niveles de tensin se debe utilizar la misma

secuencia de combinacin que la mostrada en la tabla 1.2.


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Figura 1.8. Inversor de p uentes H en cascada con fuente comn con ectado a un transform ador y suforma de ond a de [1]

La ventaja de esta configuracin comparando con la que no utiliza

transformadores, es que con solo una fuente de corriente directa se pueden

energizar todos los puentes del inversor. Esta ventaja es ms evidente al aumentar

el nmero de etapas del inversor. Por ejemplo, en un inversor trifsico de cuatro

etapas con fuentes independientes, se necesitan doce fuentes de CD para

construir un inversor de las mismas caractersticas que uno de fuente comn,

que slo utiliza una fuente de CD. No obstante hay que mencionar que la

topologa de fuente comn no es muy prctica en aplicaciones en frecuencia

variable. Por esta razn ella est pensada para la implementacin de

rectificadores, filtros activos de potencia, compensadores estticos de reactivos o

inversores conectados a la red trifsica.

De acuerdo con Ruiz (2012) a causa del escalonamiento en potencia de tres,

las fuentes de tensin que alimentan los sucesivos puentes H de la cadena,

decrecen rpidamente y con ello la potencia que estos puentes entregan a la

carga. De hecho, tal como se ver ms adelante, slo un puente de la cadena


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maneja ms del 80 % de la potencia transferida, por lo que este puente en

particular recibir el nombre de principal. El Principal o tambin llamado Maestro

es el puente Hque est en la parte inferior de la Figura 1.9, ya que justamente

es el que tiene mayor tencin. El resto de los puentes H sern llamados

Auxiliares. El principal, adems, es el que trabaja a menor frecuencia de

conmutacin, mientras que el Auxiliar superior de la cadena presenta las

caractersticas inversas, es decir, la mayor frecuencia de conmutacin, pero el

menor voltaje, lo que es una ventaja en este tipo de topologas (Ruiz, 2012, p 13).

Figura 1.9.Topo loga de un in verso r puen te H en cascada de 4 etapas d e [1]

A continuacin se presenta un resumen de las ventajas y desventajas de este tipo

de topologa:


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Ventajas

Dado que cada puente tiene la misma estructura, permite la modulacin de

cada uno, lo que reduce tiempo y costo para quienes los construyan. Esto

es vlido para inversores con puentes Hno escalados de tensin. De otro

modo, cada mdulo es distinto.

Requiere de menos componentes, ya que no se necesitan diodos ni

condensadores en paralelo con los semiconductores.

A mayor nmero de niveles, menor es la distorsin armnica.

Los Flujos de potencia Activa y Reactiva pueden ser controlados.

Desventajas La cantidad de fuentes de CD independientes ser mayor (si se quiere

controlar flujo Activo y Reactivo, adems esas fuentes deben ser

bidireccionales).


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CAPTULO 2 CARATERISTICAS Y ELEMENTOS QUE COMPONEN A

UN INVERSOR

2.1 ELEMENTOS PRINCIPALES DE UN INVERSOR

Los elementos para el inversor se consideran a partir de topologa y controladores

mencionados en el captulo 1.2 en el cual se busca un diseo simple que cumpla

los objetivos del proyecto.

Se plantea una topologa sencilla de un puente H por fase, con un circuito

de disparo a partir de transistores, controlados por configuraciones RLC, paracontrolar a los dispositivos semiconductores de conmutacin.

A continuacin se explican los elementos principales.

Banco de acumuladores: Es la fuente de energa que posibilita la entrega

corriente directa y absorcin de potencia activa.

Inversor: Incorpora configuraciones de los semiconductores de conmutacin

(MOSFESTs) junto a un disipador de calor y sus elementos, y los circuitos

de alimentacin y control.

Circuito de control, este es el circuito de disparo de los semiconductores de

conmutacin, que los disparar por tiempos para lograr los pasos de la

onda sinusoidal y el desfasamiento de 120 entre fases si es que se trata de

un inversor trifsico. Puede emplear los siguientes mtodos para procesar

las variables y determina las acciones de control; por PWM, temporizadores

discretos, temporizadores operacionales, o un micro controlador conectado

a circuitos de adaptacin de seales anlogas y digitales.


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Transformador: El transformador eleva la tensin hasta el nivel de la red y

a su vez acta de filtro junto a una bobina, puede llevar un banco de

capacitores.

Protecciones: protecciones termo magnticas para el control y el inversor.

Selector de conexin a la salida por fases: en este proyecto se tendrn dos

conexiones a la salida; delta paralela y estrella paralela.

2.1.1 CIRCUITO CONTROLADOR DEL INVERSOR

El puente inversor trifsico de tensin comenz a desarrollarse a partir de la

aparicin de los tiristores y adquiri una masiva difusin a partir del desarrollo de

dispositivos de conmutacin de potencia con encendido y apagado controlado

como son MOSFETs, IGBTs y GTOs, por mencionar los principales.

Paralelamente y acompaando el desarrollo de los dispositivos de potencia se

fueron desarrollando distintas estrategias de modulacin PWM desde mediados de

la dcada del 60. La gran variedad de mtodos propuestos en los ltimos 40 aos

pueden agruparse en dos grandes lneas:

Modulacin por programacin de los ngulos de conmutacin.

Modulacin basada en una seal portadora.

Los mtodos de modulacin basados en onda portadora pueden operar con

frecuencia de conmutacin alta y son ms simples de disear e implementar. La

idea bsica es que en cada ciclo de portadora, el promedio de la tensin generadareproduzca la referencia deseada. En 1964 Schnung y Stemmler desarrollaron el

mtodo PWM sinusoidal o mtodo subarmnico. En este mtodo se compara la

tensin de referencia de cada fase con una portadora triangular y los puntos de

interseccin determinan los instantes de conmutacin de las columnas del inversor.

Este mtodo de modulacin ha sido muy empleado y analizado durante la dcada


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de los 70, demostrndose que mientras la relacin entre portadora y fundamental

fuese grande se mantena una relacin lineal entre la referencia y la tensin

fundamental a la salida del inversor, y las componentes armnicas se concentran

en bandas laterales alrededor de la portadora y sus mltiplos.

2.1.2 MODULACIN POR ONDA PORTADORA Y POR HISTRESIS

Por onda portadora:

La modulacin basada en una portadora es la forma de modulacin vigente ms

sencilla. Se refiere a la tcnica de usar una onda sinusoidal pura (SPWM, del

ingls: Sinusoidal Pulse-Width Modulacin) o sinusoidal distorsionada como seal

moduladora, que se compara con una onda triangular para entregar las seales de

disparo.

En la seccin superior de la Figura 2.1 se muestra la forma de obtener los pulsos

de disparo a partir de una moduladora y una portadora. La parte inferior muestra la

tensin de salida de una fase, y su componente fundamental, que se encuentra

montada sobre una componente continua de valor VDC/2. Al tomar la tensin entre

dos fases se elimina la componente continua.


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Figura 2.1. Obtencin de d isparos y forma de o nda d e [3]

Para esta tcnica de modulacin se define la razn de modulacin M, que

corresponde al cociente entre la amplitud de la seal moduladora, y la mitad de la

tensin de entrada continua.

Por histresis:

La modulacin por histresis es la forma de modulacin ms sencilla. De acuerdo

con Vargas (2010) pertenece al grupo de los llamados Controladores de

Estructura Variable. La tcnica consiste en permitir a la corriente de salida oscilardentro de un lmite (alcance) predefinido de error respecto a la referencia. Las

conmutaciones ocurren al alcanzarse el borde de dichos lmites (Vargas,

2010, p 13). En la figura 2.2 se grafica el principio de operacin de la

modulacin por histresis, adems se muestra la forma de onda de la corriente real

y de referencia, y de la tensin de salida.


30/81

20

Esta tcnica, al ser de lazo cerrado, tiene algunas ventajas:

Muestra una alta precisin en el seguimiento de una corriente de

referencia.

Ofrece proteccin contra corrientes elevadas y sobrecarga.

Presenta un excelente comportamiento dinmico.

Se compensa automticamente en caso de ocurrir cambios de parmetros

en la red. Pese a esto, es una tcnica poco usada actualmente por sus

importantes desventajas:

Introduce armnicos dispersos en el espectro de frecuencia. Esto vuelve

difcil filtrarlos e impide cumplir con normas.

Al no tener un control sobre la frecuencia de conmutacin, las perdidas por

este concepto son muy variables.

Figura 2.2.Obtencin de disparos y form a de ond a de la tensin de [3]


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21

2.2 TRANSFORMADORES Y TIPO DE CONEXIONES

Encontramos en los transformadores su clasificacin por las siguientes

caractersticas:

Por su aplicacin:

Elevador

Reductor

Aislamiento (paso 1:1)

Por su nmero de fases

Transformadores monofsicos

Los transformadores monofsicos, tanto de columnas como acorazados, se usan

en lneas de media tensin para reducir la tensin, en lneas de media tensin de

13,2 kV a baja tensin de 0.22kV. Se suelen encontrar, de pequea potencia en

soportes de lneas elctricas rurales. Tambin se los encuentra, en potencias altas,

para constituir bancos trifsicos, con tres de ellos, en sistemas de distribucin

Transformadores TrifsicosEl trifsico de columnas es el ms usado. Se encuentra desde pequeas potencias

(10 kVA) hasta muy grandes (150 MVA). Como elevadores de tensin en las

centrales, reductores en las subestaciones, de distribucin en ciudades, barrios,

fbricas, etc.

Transformadores Hexafsicos

El hexafsico (6 fases en el secundario) se diferencia, constructivamente, deltrifsico, en que tiene una derivacin a la mitad de los devanados secundarios, y

luego por supuesto, en la conexin entre ellos. Son usados para la rectificacin

industrial y en traccin elctrica: subterrneos, tranvas, etc.


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Por la forma del ncleo

Transformador monofsico de columnas

El transformador a columnas posee sus dos bobinados repartidos entre dos

columnas del circuito magntico. En la figura se trata de un transformador

monofsico dnde el circuito magntico se cierra por las culatas superior e inferior.

Figur a 2.3. Transfo rmad or mono fsico tip o ventan a

Transformador monofsico acorazado

Se le denomina acorazado cuando el ncleo cubre parcialmente el embobinado

del transformador, en el caso de un circuito acorazado, como en el de los

transformadores, el flujo que se produce en la columna central, se divide por las 2

columnas laterales y por tanto, la Reluctancia equivalente de las ramas en paralelo

es la inversa de la suma de las inversas

Debido a la construccin geomtrica (E-I) de las chapas magnticas en los

transformadores acorazados, en estos circuitos se pueden hacer combinaciones

serie-derivacin, combinacin interesante para realizar clculos.


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23

Figura 2.4. Transformado r mon ofsico tip o seco aco razado

Transformador trifsico de columnas

La diferencia con el transformador monofsico tipo columnas es que este tiene

tres columnas, y su aplicacin es para una lnea trifsica.

Figur a 2.5.Transfo rmad or trifsico tipo sec o de tres col um nas

La diferencia con el transformador monofsico tipo acorazado es que este tiene

tres secciones, y su aplicacin es para una lnea trifsica.


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24

Figura 2.6.Transformado r trifsico tipo co lum na

Por su ncleo (Por el ncleo sobre el cual van las bobinas) Ncleo de Aire

Ncleo de Hierro

Ncleo Variable

Por el tipo de conexin (relacionada con las fases)

Deltaestrella -

Deltadelta -

Estrellaestrella -

Estrelladelta -

DeltaT (Scott) -T

Por su tipo de enfriamiento

Tipo AA

Transformador tipo seco con enfriamiento propio. No contiene aceite ni otros

lquidos para enfriamiento, el aire es tambin el medio aislante que rodea el ncleo

y las bobinas. Por lo general son fabricados con capacidades inferiores a 2000

kVA y voltajes menores de 15 kV.


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Tipo AFA

Transformador tipo seco con enfriamiento por aire forzado. Se emplea para

aumentar la potencia disponible de los tipo AA y su capacidad se basa en la

posibilidad de disipacin de calor por medio de ventiladores o sopladores.

Tipo AA/FA

Transformador tipo seco con enfriamiento natural y con enfriamiento por aire

forzado. Es bsicamente de tipo AA al que se le adicionan ventiladores para

aumentar su capacidad de disipacin de calor.

Tipo OATransformador sumergido en aceite con enfriamiento natural. En stos, el aceite

aislante circula por conveccin natural dentro de un tanque que tiene paredes lisas

o corrugadas, o bien provistos con tubos radiadores. Esta solucin se adopta para

transformadores de ms de 50 kVA con voltajes superiores a 15 kV.

Tipo OA/FA

Transformador sumergido en lquido aislante con enfriamiento propio y con

enfriamiento por aire forzado. Es bsicamente un transformador OA con la adicin

de ventiladores para aumentar la capacidad de disipacin de calor en las

superficies de enfriamiento.

Tipo OA/FOA/FOA

Transformador sumergido en lquido aislante con enfriamiento propio/con aceite

forzado - aire forzado/con aceite forzado/aire forzado. Con este tipo de

enfriamiento se trata de incrementar el rgimen de operacin (carga) de

transformador tipo OA por medio del empleo combinado de bombas y ventiladores.


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26

El aumento de la capacidad se hace en dos pasos: en el primero se usan la mitad

de los radiadores y la mitad de las bombas, con lo que se logra aumentar 1.33

veces la capacidad del tipo OA; con el segundo paso se hace trabajar la totalidad

de los radiadores y bombas con lo que se logra un aumento de 1.667 veces lacapacidad del OA. Se fabrican en capacidades de 10 000 kVA monofsicos 15000

kVA trifsicos.

Tipo FOA

Transformador sumergido en lquido aislante con enfriamiento por aceite forzado y

de aire forzado. ste puede absorber cualquier carga de pico a plena capacidad

ya que se usa con los ventiladores y las bombas de aceite trabajando al mismo

tiempo.

Tipo OW

Transformador sumergido en lquido aislante con enfriamiento por agua. En ste,

el agua de enfriamiento es conducida por serpentines, los cuales estn en contacto

con el aceite aislante del transformador y se drena por gravedad o por medio de

una bomba independiente. El aceite circula alrededor de los serpentines por

conveccin natural.

Tipo FOW

Transformador sumergido en lquido aislante con enfriamiento de aceite forzado y

con enfriadores de agua forzada. Este tipo es prcticamente igual que el FO, slo

que el cambiador de calor es del tipo agua-aceite y se hace el enfriamiento por

agua sin tener ventiladores.

Hablando de los transformadores de potencia, podemos decir que una disipacin

de tan slo 0,5% de la potencia de un gran transformador genera enormes

cantidades de calor y es importante considerarlo, ya que ste es un factor clave en

el envejecimiento de los materiales aislantes cuando la temperatura pasa de ciertos

lmites, por lo que se hace necesario el uso de dispositivos de refrigeracin


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27

Por su aplicacin en potencia

Transformadores tipo subestacin de potencia (MVA) Elevadores.

Transformadores tipo subestacin de potencia (MVA) Compensadores.

Transformadores tipo distribucin (KVA) Reductores.

Transformadores tipo subestacin cliente (KVA) Reductores.

El transformador de corriente elctrica elegido para este inversor es un banco de

tres trasformadores monofsicos tipo seco acorazados de 2 kVA cada uno, debido

a que resulta ms sencillo el cambio de conexin trifsica entre ellos, a diferencia

de un trasformador trifsico. Por otro lado en caso de que alguna bobina de uno de

los transformadores presente alguna falla, la reparacin o sustitucin de esta es mssencilla, porque solo se sustituye un transformador, en este aspecto tambin es ms

econmico. Adems mientras se sustituye el transformador daado o se repara, se

puede seguir teniendo energa elctrica con ciertas condiciones y limitaciones

usando las configuraciones, estrella o delta abiertas.


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2.2.1 BANCO DE ACUMULDORES

Acumuladores de ciclado profundo

En este punto se describirn los acumuladores ms adecuados para el uso de este

inversor basados en la disponibilidad de ellos en el mercado, evitando las tecnologasque an estn en desarrollo. Las caractersticas de los acumuladores de ciclado

profundo, son ptimos para este tipo de herramientas elctrico-electrnicas. Los

acumuladores de ciclado profundo estn especialmente diseados para soportar

un alto nmero de descargas profundas, y ser recargados sin afectar su

desempeo, a diferencia de los acumuladores automotrices, que al ser sometidos

a condiciones de descargas profundas, pierden ms rpidamente su capacidad.

Bsicamente, un ciclo se describe como una descarga y una carga del

acumulador, no importando el porcentaje de descarga que haya sufrido.

Estos acumuladores son utilizados principalmente, para proveer energa elctrica

a equipos que no tienen un sistema de generacin propia, como pueden ser:

pequeos vehculos elctricos, motores troleadores, luces, equipos de navegacin

o de comunicacin, casas mviles, sistemas de energa solar, entre otros.

Los acumuladores de ciclado profundo estn construidos con materiales activos

de alta densidad con aditivos especiales, adems de aleaciones en sus placas que

cumplen con el propsito de lograr un mejor desempeo en sus ciclos de carga y

descarga profunda. Con esto disminuyen el reblandecimiento y desprendimiento

del material activo de las placas positivas, prolongando la vida del acumulador

sometido a dichas condiciones.

Diferencias entre los acumuladores de Ciclado Profundo y los acumuladores de

arranque (automotrices).


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Tabla 2.1. Tabla comp arativa ente acumu ladores (LTH) de cic lado profund o y acumuladoresautomotr ices de [9]

Acumuladores de ciclado profundo Acumuladores de arranque

(Automotrices)

Fabricados con aleaciones deAntimonio (Sb).

Fabricados con aleaciones de Calcio

(Ca).

Estn diseados para recibir descargasprofundas de hasta el 70% de sucapacidad.

Estn diseados para recibir descargasde hasta un 10-15% de su capacidad.

Son diseados para proporcionarpequeas cantidades de corriente porvarias horas.

Estn diseadas para proporcionargrandes cantidades de corriente enpocos segundos.

Una vez terminado el tiempo de vida til de estos acumuladores, pueden ser

reciclados y reutilizados. Esto es realizado por la misma empresa proveedora, para

minimizar los efectos altamente contaminantes que los materiales que componen a

estos acumuladores presentan.

El nmero y configuracin de acumuladores de ciclado profundo, se determina

partir de la corriente por hora que demandara la carga al inversor, entonces

se observa la siguiente tabla;

Tabla 2.2. Tabla de tiempo de descarg a de acumulado res (LTH) de ciclado pro fund o de [9]

Carga [A] 2 5 10 15 20 25Modelo delacumulador

Tiempo dedescarga en

43.1 16.1 7.5 4.8 3.4 2.7 27/MDC-160 min

Tiempo de

descarga en

39 14.7 6.7 4.3 2.9 2.3 27 M/DC-140 min


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Acumuladores AGM y de GEL

Esta resulta ser otra opcin muy adecuada para la alimentacin de este inversor, ya

que su eficiencia (ciclos de descarga profunda) comparada con los acumuladores de

antimonio (ciclado profundo LTH) es mayor, adems su peso y tamao resulta mucho

menor a comparacin de los acumuladores de antimonio.

En estos acumuladores AGM (Absorbent Glass Mat) estas bateras, el electrlito se

absorbe por capilaridad en una estera en fibra de vidrio situada entre las placas. Los

acumuladores AGM resultan ms adecuadas para suministrar corrientes muy

elevadas durante perodos cortos como en el arranque de motores en comparacin

con los acumuladores de GEL. Por otro lado tiene un nmero menor de ciclos dedescarda que los acumuladores de GEL.

En los acumuladores de GEL, el electrlito se inmoviliza en forma de GEL. Los

acumuladores de gel tienen por lo general una mayor duracin de vida y una mejor

capacidad de ciclos que los acumuladores AGM.

Ambos tipos de acumuladores AGM y de GEL muestran una baja capacidad de auto

descarga, ya que pueden permanecer un periodo moderadamente largo para un

acumulador comn sin necesidad de cargar, adems tienen una gran capacidad de

recuperacin a descargas prolongadas o profundas esto siempre y cuando se

utilicen segn sus instrucciones de uso.

El uso de este tipo de acumuladores es el ms adecuado y que se debera de ser

elegido de no ser por su costo de ellos. Adems se tiene dificultad de encontrarlos

fcilmente en el mercado, generalmente la nica forma de adquirirlos es a travs dela importacin de los mismos. En el supuesto caso de elegir un modelo de estos

acumuladores seria especficamente el acumulador: BAT412800080 de la marca

Vitron Energy el cual suministrara la energa suficiente para que el inversor alimente

a la carga pretendida.


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CAPTULO 3 DESARROLLO

3.1 ESTUDIO TCNICO

Inversor trifsico requerido es de 127 V de fase a neutro y 220 V en conexin

estrella de fase a fase, y de 220 V en conexin delta entre fases a 60 Hz.

El inversor estar compuesto por un circuito controlador, puentes H formados por

MOSFETs y transformadores monofsicos. Cada fase deber tener un circuito

controlador especfico para proporcionar la frecuencia de disparo y el

desfasamiento de 5.55 ms entre fases.

Por las caractersticas de los MOSFETsla seal de salida no puede ser mayor a

Vcc, (tensin del banco de acumuladores), entonces

= = 24

Y la tensin mnima de disparo de MOSFET es de +10 V y -10 V por lo que la seal

del controlador debe ser igual o mayor que la tensin mnima de disparo. De esto se

deriva en el diseo de un circuito de control, que proporcione a la salida una seal

de pulsos con la amplitud suficiente para el disparo de los MOSFETs.

Debido a esta caracterstica de los circuitos de control, estos circuitos son

bastante complejos como ya se los menciono en el tema 2.1, adems de descartar

desde el comienzo el control por PWM, ya que no es el adecuado para manejar

los niveles de corrientes y tensiones deseados.

Por lo anteriormente planteado se decide disear el circuito de disparo con

transistores NPN 2N3055 que nos pueden proporcionar una seal de pulsos con

suficiente amplitud para activar a los MOSFETs.

Dicha seal de disparo deber mantenerse constante y proporcionar una seal con

las siguientes caractersticas:


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32

Tabla 3.1. Especific acin de la seal de dis paro

SEAL DE CONTROL DEL MOSFET TIEMPO DEL PULSO

TH10 V 8.33 ms

de esta forma tenemos que nuestro periodo es de 16.66 ms

= + = 8.33 + 8.33 = 16.66

= 16.66 = 2

= 1

16.66

= 60

dnde:

= es el periodo

= tiempo en alto

= tiempo en cero


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3.1.1 CIRCUITO CONTROLADOR (CIRCUITO DE DISPARO)

Este es el circuito de disparo diseado para una fase del inversor

Figura 3.1.Circuito de disparo ut i l izando s emicondu ctores 2N3055 como interruptores.

En la figura 3.2 se ilustra la diferencia (dif=) entre los cursores A1 y A2 que

est justo en donde comienza su tiempo en alto y donde termina.


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Figura 3.2.Forma de on da del circu ito de disp aro

En la figura 3.3 se ilustra la diferencia (dif=) entre los cursores A1 y A2 que

est justo en donde comienza su tiempo en 0 y donde termina.

Figura 3.3. Esta f igura muestra los m il isegundos de diferencia entre los cu rsores A1 y A2


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3.1.2 CIRCUITO DISEADO PARA LA SIMULACIN

El inversor deber suministrar una tensin sinusoidal trifsica, adecuada para alimentar

dos motores jaula de ardilla trifsicos, uno de ellos de la capacidad de 1 HP y el otro de

2 HP

Figur a 3.4. Esta imag en m uestra el circu ito in verso r dis eado

Este es parte del circuito diseado, conectando los circuitos de disparo de pulso, los

MOSFETs en configuracin puente H y conectando las bobinas primarias de los

trasformadores.


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Circuito diseado completo (incluyendo transformador), el transformador se

encuentra en conexin estrella, por lo que es selector manual por fases indicara

conexin estrella.

Figura 3.5. Circuito diseado c om pleto con salida en estrella


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Parte del circuito diseado (incluyendo transformador), en la imagen 3.6 se muestra

solo la conexin de los MOSFETs en configuracin puente H conectado al

transformador. El transformador se encuentra en conexin delta, por lo que es

selector manual por fases indicara conexin delta.

Figur a 3.6. Circu ito dis eado mostr ando la salid a en conexi n delta de los transfo rmad ores


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3.1.3 RESULTADOS DE LA SIMULACIN

Simulacin realizada con el software OrCad Pspice 16.0

La forma de onda a la salida de los MOSFET ses la que ilustra la figura 3.7, se

observa que sus niveles mximos de tensin son de 24 V y -24 V alternadamentecada 8.33ms, es decir, que esta es la forma de onda que entra en el lado secundario

de los transformadores para posteriormente obtener al lado secundario la forma de

onda deseada. Observando la figura horizontalmente se aprecia en el eje vertical la

escala de nivel de tensin, y en el eje horizontal se observa la escala de tiempo.

Figura 3.7. Forma de o nda entre un puente H


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39

Como se ha mencionado en la tabla 3.1 el tiempo del pulso mayor a 10 V debe ser

de 8.33 ms y el tipo del pulso menor a 10 V tambin debe ser de 8.33 ms, haciendo

uso de la herramienta denominada Toggle Cursor en las dos siguientes imgenes

se muestra ambos tiempos referenciados por los cursores A1 y A2.

Figura 3.8. Tiempo del puls o en alto

Figura 3.9. Tiempo d el pulso en cero


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En la figura 3.10 se muestra las tres ondas a la salida de los transformadores por

el lado de alta tensin, se observa la caracterstica de forma de onda no es

sinusoidal, sin embargo proporciona la tensin requerida.

Figura 3.10. Formas d e onda d e tensin de fase a neutro a la sal ida del inv ersor

La tensin de fase a neutro en la conexin estrella debe ser del orden de 128 V de

esta forma la tensin entre fases debe ser 3128V = 220 V.

Figura 3.11. Este recuadro m uestra la tensin RMS que marcan los cursores A1 y A2 que es 129 V


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Al colocar el selector manual en la posicin de conexin estrella, la seal de tensin

entre fases es la que muestra la figura 3.12, en el cual se puede observar que la

forma de onda tampoco es completamente sinusoidal, sin embargo tambin

proporciona los niveles de tensin requeridos.

Figura 3.12. Forma de on da de tensin entre fases (conexin estrella)

La tensin RMS entre fases, usando la conexin estrella debe ser 220 V. En el

caso de este inversor la tensin en RMS medido entre fases es de 223 V, porlo que este valor es aceptable ya que se encuentra dentro del parmetro de +-

10% de la tensin especificada.


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En la figura 3.13 se observa cmo se mide la tensin RMS de la forma de onda

mostrada en la figura anterior 3.12. La tensin que se muestra en el recuadro Probe

Cursor en la figura 3.13 es indicada por (dif=) que es 223.596 V

Figura 3.13. El recuadro su per ior mu estra la tensin RMS en el cu rsor A 1

En la figura 3.14, muestra la forma de onda de una fase en conexin estrella, medida

de fase a neutro. Se observa que en el recuadro Probe Cursor el cursor A1 se

encuentra en el tiempo: 547.24 ms de la simulacin indicando una tensin de

2.2862 V y el cursor A2 se encuentra en el tiempo: 530.641 ms de la simulacin

indicando una tensin de -978.185 mV, las tensiones son muy pequeas por lo

que se las considera 0. La diferencia entre tiempos de los cursores A1 y A2 es de

16.593 (se puede observar en el recuadro Probe Cursor que indica (dif=)) entones el

periodo es de 16.593 ms que es igual a 60.2 Hz.


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Figura 3.14.En el recuadro m uestra la diferencia de t iempo entre los curso res A1 y A 2 que es de 16.59ms


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3.2 ESTUDIO ECONMICO

3.2.1 COSTO DEL INVERSOR

Este es el costo del inversor con precios de mayo del 2014

CONCEPTO CANTIDAD CARACTERISTICA $ M.N. TOTAL$M.N.

COTIZACI N PORMAYOREO *

CANTIDAD PRECIOUNITARIO

TOTAL$M.N.

Acumulador de

ciclo profundo4 LTH 12V 1630 6520 6520

Resistenciasvarias

220 220 220

Transistor NPN 6 2N3055 47 282 2N3055 (100 artculos) 6 29.45 177Capacitoresvarios

360 360 360

MOSFET 16 IRFP250 56 896 IRFP250 (100 artculos) 16 21 361Trasformadormonofsico 24 a127 V

3 2kVA 1130 3390 Transformadores (9artculos)

3 990 2970

Inductores 120 120 120Materialesvarios para

850 850 850

TOTAL 12638 TOTAL 11578*

De acuerdo con los precios desglosados en esta hoja el costo del inversor es de $12638.00 pesos.

Nota (*) los precios aqu mostrados son recuperados de cotizaciones en diversas pginas de artculos electrnicos adems de

empresas proveedoras de transformadores especiales. Todos estos precios fueron consultados en la fecha de MAYO 2015


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3.2.2 USO DEL INVERSOR

El pronstico de uso del inversor diseado en este proyecto es: utilizarlo dos veces

por semana durante 3hrs alimentando a una carga que demanda 15 amperes en

cada hora lo que resulta en 45 amperes-hora.

El tiempo de descarga entre los cuatro acumuladores es de 9.5 horas por lo que

se descarga 31.5% cada vez que es utilizado. Esto de acuerdo conANEXO E la

especificacin del fabricante (LTH), su gravedad de desgaste es de 1.225 donde

el 0% de carga equivale a 1.140 de desgaste y el 100% de carga equivale a 1.280,

segn estos valores el banco de acumuladores se encuentra en un parmetro de

desgaste de uso muy bueno, por consiguiente su tiempo de vida es de 3500hrs de

vida.

El desgaste por uso real se determina a partir del tiempo de filtrado del aceite de un

transformador de 500 kVA, el cual contiene 730 litros.

El filtro tiene una capacidad de filtrar 500 litros por hora, lo que implica que le tomara

87 minutos para el filtrado de 730 litros de aceite.

Dado que se pronostic su uso durante 3 horas (180 minutos), esto significa que el

inversor tiene carga para filtrar un transformador ms de similares caractersticas750 litros (500 kVA), implicando 2 horas 54 minutos (174 minutos) entre los dos

trasformadores

La cantidad de recarga que necesita un acumulador se pude determinar midiendo la

gravedad especfica del electrolito con un hidrmetro. La siguiente tabla muestra el

porcentajede cargaaproximado de un acumulador.


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Tabla 3.2 Tabla de gravedad de descarga del acum ulado r (LTH) de [9].

Estado de carga aproximado

Estado Porcentaje de carga Gravedad especifica

Cargado 100% 1.28070% 1.225

50% 1.200

25% 1.170

Descargado 0% 1.140

3.2.3 COMPARACIN DEL INVERSOR CON UNA PLANTA DE EMERGENCIAA GASOLINA

Comparando con la opcin de una fuente secundaria o externa como una planta de

emergencia a gasolina, se tiene que, dicha planta gastara 10Lt de gasolina por

semana, entonces se tiene que comprar 10 litros de gasolina por semana que es

igual $120.00 M.N. (considerando el precio de la gasolina a $12.00 M.N por litro).

Al mes habremos invertido $480.00, en 8 meses habremos invertido en gasolina

$3,840.00, se tiene que, sumando el costo de una planta de emergencia ($9,300.00)

a lo invertido en gasolina durante 8 meses tenemos una cantidad de $13,140.00

pesos. De acuerdo con el tema 3.2.1 el inversor tiene un costo de $12,638.00.

Restando el costo del inversor a lo invertido en una planta de emergencia usndola

peridicamente durante 8 meses, habremos sobrepasado el costo del inversor por

$457.00.

3.2.4 TAZA DE AMORTIZACIN

De acuerdo al estudio econmico y en base al costo total del inversor, que es de

$12,638.00 pesos en contraste la planta de emergencia de similar potencia que

tiene un costo de $9,300.00 el proyecto si es viable ya que al cabo de 8 meses

con el gasto de gasolina, se terminara de recuperar el costo de este inversor,

siempre y cuando se respeten los tiempos de carga y descarga de los

acumuladores as como la demanda que suministre.


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CAPTULO 4 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

4.1 CONCLUSIONES

Se dise un inversor de corriente elctrica con conexin por fases a la salida, con

las opciones de conexin estrella y delta. Este inversor tiene la caracterstica de

ser robusto pero compacto y de alto rendimiento. Se realiz la simulacin con

resultados exitosos en el software OrCad Pspice 16.0.

El inversor consta de tres circuitos de disparo, secuenciados por arreglos RLC para

desfasarlos 120 elctricos entre ellos, estos controlan la conmutacin de 3 puentes

H de MOSFETs que a su vez, a la salida de cada uno est conectada a un

transformador monofsico usando como elevador, con una relacin de

transformacin de 1:9.2 y derivacin central del lado de alta tensin. Dicho

transformador proporciona una seal de 220 V RMS entre fases. Y con una

potencia total del banco de transformadores de 4 kW. Estos datos se obtuvieron de

la simulacin virtual del inversor.

Este inversor por ser diseado con elementos estticos no requiere mayores

cuidados, que el mantenimiento ordinario de una tarjeta electrnica.

Se concluye como viable el inversor diseado en este proyecto, ya que el estudio

econmico as lo demuestra, por lo que se concluye este proyecto como finalizado

satisfactoriamente.

Se concluy con la mayora de los objetivos exceptuando uno, que es el controlar

la potencia segn lo demande la carga, ya que no se logr concluir el circuito de

control, debido a su complejidad sin embargo es contemplado para realizarse como

trabajo futuro.


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4.2 RECOMENDACIONES

Recomendaciones para el inversor en caso de realizarse el prototipo real;

Cuidar los tiempos de carga y descarga del mismo, quizs implementandouna alarma de nivel de carga en los acumuladores.

Realizar el mantenimiento de los acumuladores cono lo indica el

fabricante.

Por el lado del inversor no se debe utilizar con cargas que sobrepasen

los 4 kW.

Verificar que los acumuladores podrn proporcionar la corriente suficiente

hacia la carga.


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4.3 TRABAJOS FUTUROS

Circuito de control inconcluso

El circuito de control tiene como objetivo dosificar el suministro de corriente que

proporcione el inversor a la carga, segn lo demande la propia carga. Si se controla

la corriente, por consecuencia se controla tambin la potencia, dando como resultado

un menor desgaste en todos sus componentes del inversor.

Al tener menor desgate de los componentes, se aumenta el tiempo de vida til del

inversor en general, adems al disminuir cantidad de calor a disipar, puede reducir

el tamao del inversor en su diseo, porque se implementaran disipadores de calor

ms pequeos.El circuito de control no se llev acabo en este trabajo debido a su complejidad y al

tiempo que lleva el diseo de un circuito electrnico como este.

Posibles implementaciones

Ya que el proyecto es altamente viable se pretende realizar el prototipo real.

Como se habl en el planteamiento del problema este inversor podra serempleado en mantenimiento a subestaciones elctricas proporcionando la

suficiente energa elctrica por un periodo lo suficientemente largo para

terminar dicha actividad (limitado a 3 horas) teniendo en cuenta que los

acumuladores no lleguen a una descarga muy profunda.

Tambin puede ser empleado con taladros, sopladoras, lmparas o algn tipo

de carga (herramienta) que no est prevista en una operacin siempre y

cuando no sobrepasen los 4kW de potencia as como en labores domsticas

o como planta de emergencia, con todo lo que la palabra emergencia

conlleva.


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REFERENCIAS

[1] Bretn S. A. A. (2003) Diseo y construccin de un Inversor trifsico multinivel

De cuatro etapas para Compensacin armnica y de Reactivos Tesis delicenciatura publicada, Pontificia Universidad Catlica de Chile, Santiago de Chile.

[2] Ruiz C. R. (2012) Diseo, simulacin y construccin de un Inversor trifsico

multinivel Tesis de licenciatura no publicada, Universidad Nacional del Callao,

Lima Per.

[3] Vargas S. A. R. (2010)Diseo e Implementacin de un prototipo de Inversor

Trifsico orientado a redes de distribucin Tesis de licenciatura publicada,

Universidad de chile, Santiago de Chile.

[4] Rodriguez, J. Lai, & Peng F. Z. (2002) Multilevel Inverters: A Survey of

Topologies, Controls, and Applications IEEE Transactions on, Industrial

Electronics, Vol. 49 Num. 4.

[5] Spinadel E. (1986) Transformadores, segunda edicin Espaa, Nueva

librera.

[6] Artculos Wikieymfi (2014) Para conocer las magnitudes comerciales de losresistores. Revisada en (Febrero del 2014). Recuperado dehttp://wikieymfi.wikispaces.com/Nomenclatura +circuitos

[7] Burgos M. C. D. (2013) Estimacin del estado de carga para un Banco de

bateras basada en modelacin Difusa y filtro extendido de KalmanMemoria para

Ingeniera publicada, Universidad de Chile, Santiago Chile.

[8] Anexo E Manual tcnico de acumuladores de ciclado profundo LTH

Monterrey, N. L. Mxico.


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[9] Empresa Victron Energry (2014) Para consultar informacin relativa a el

proveedor de los acumuladores de gel y AMG Bateras Gel y AGM. Revisada en

(Noviembre del 2014). Recuperada de http://www.victronenergy.comes/batteries/gel%20and%20agm%20batteries/

[10] Empresa Victron Energry (2014) Para conocer las especificaciones delos

acumuladores de gel y AMG Data sheet Bateras Gel y AMG Victron Energy

Revisada en (Noviembre del 2014). Recuperada de

http://www.victronenergy.com/upload/documents/Datasheet-GEL-and-AGM-

Batteries-EN.pdf

[11] Empresa Victron Energry (2014) Para conocer el precio del acumulador

BAT412800080 $ 4,241.20 Revisada el (11 de Noviembre del 2014) Recuperada

de http://www.victronenergy.com/upload/documents/ WEB_Pricelist-Victron-2014-

Q3-C-Euro.pdf

[12] Chapman S. J. (2012) Electric Machinery FundamentalsSingapur, McGraw

Hill intternational

[13] Pulido A. M. (2006) calculo fcil de transformadores y autotransformadores

monofsico y trifsicos de baja tensin. Mxico, Alfaomega Marcombo.

[14] Ros D. F. E. (2003) Diseo y construccin de un Inversor trifsico multinivel

Tesis de licenciatura publicada, Pontificia Universidad Catlica de Chile, Santiago

de Chile.


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NDICE DE TABLAS

Tabla 1.1. Tensin de salida del puente H y estado de los semiconductores .......... 7

Tabla 1.2. Tensin de salida y estado de los semiconductores de la configuracin

pasada .................................................................................................................... 9

Tabla 2.1. Tabla comparativa ente acumuladores de ciclado profundo . y

acumuladores automotrices de [9]..29

Tabla 2.2. Tabla de tiempo de descara de acumuladores de ciclado profundo de

[9] .......................................................................................................................... 29

Tabla 3.1. Especificacin de la seal de disparo ................................................... 32

Tabla 3.2 Tabla de gravedad de descarga del acumulador de [9]. ........................ 46


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NDICE DE IMGENES

Figura 1.1. Inversor trifsico VSI de dos niveles en puente completo. ..................... 1

Figura 1.2. Esquema de un Inversor de (a) dos niveles, (b) tres niveles y (c) m

niveles ...................................................................................................................... 4

Figura 1.3. Onda de tencin multinivel, usando 11 niveles ...................................... 5

Figura 1.4. Puente H Generalizado, con n fuentes y m = 2n+1 niveles................. 6

Figura 1.5. Configuracin de un inversor de puente "H" de tres niveles ................... 7

Figura 1.6. Configuracin de un inversor de 2 etapas con dos puentes H en

cascada y 5 niveles .................................................................................................. 8

Figura 1.7. Esta figura muestra una fase de un inversor en configuracin puentes H

en cascada, 4 etapas y 9 niveles. La forma de onda corresponde a la salida de

Vac ......................................................................................................................... 10

Figura 1.8. Inversor de puentes H en casca con fuente comn conectado a un

transformador y su forma de onda .......................................................................... 13

Figura 1.9.Topologa de un inversor puente H en cascada de 4 etapas ............... 14

Figura 2.1. Obtencin de disparos y forma de onda ............................................... 19

Figura 2.2.Obtencin de disparos y forma de onda de la tensin ........................... 20

Figura 2.3. Transformador monofsico tipo ventana .............................................. 22Figura 2.4. Transformador monofsico tipo seco acorazado .................................. 23

Figura 2.5.Transformador trifsico tipo seco de tres columnas .............................. 23

Figura 2.6.Transformador trifsico tipo columna .................................................... 24

Figura 3.1.Circuito de disparo utilizando semiconductores 2N3055 como

interruptores ......................................................................................................... 333

Figura 3.2.Forma de onda del circuito de disparo .................................................. 34

Figura 3.3. Esta figura muestra los milisegundos de diferencia entre los cursores

A1 y A2 ................................................................................................................... 34

Figura 3.4. Esta imagen muestra el circuito inversor diseado .............................. 35

Figura 3.5. Circuito diseado completo con salida en estrella ................................ 36

Figura 3.6. Circuito diseado completo con salida en delta ................................... 37

Figura 3.7. Forma de onda entre un puente H........................................................ 38


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Figura 3.8.Tiempo del pulso en alto ....................................................................... 39

Figura 3.9. Tiempo del pulso en cero ..................................................................... 39

Figura 3.10. Formas de onda de tensin de fase a neutro a la salida del inversor. 40

Figura 3.11. Este recuadro muestra la tensin RMS que marcan los cursores A1 y

A2 que es 129 V .....................................................................................................40

Figura 3.12. Forma de onda de tensin entre fases (conexin estrella) ................. 41

Figura 3.13. El recuadro superior muestra la tensin RMS en el cursor A1 ........... 42

Figura 3.14. En el recuadro muestra la diferencia de tiempo entre los cursores A1 y

A2 que es de 16.59ms ............................................................................................ 43


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GLOSARIO DE TRMINOS TCNICOS Y SIGLAS

Conexin

trifsica

CA

CD

PWM

SPWM

Puente H

Vcd o VCD

Vca

Sn

Una conexin trifsica son tres corrientes alternas de igual

frecuencia y amplitud (y por consiguiente, valor eficaz) que

presentan una cierta diferencia de fase entre ellas, en torno

a 120 elctricos de una corriente con respecto a otra corriente

y cada corriente recibe el nombre de fase.

Corriente alterna.

Corriente directa.

Pulse Width Modulation (Modulacin de Ancho de Pulso).

Sinusoidal Pulse Width Modulation (Modulacin en Anchura

de Pulsos Sinusoidal).

Es una conexin elctrica de elementos de conmutacin, que

permite el paso de la corriente en sentido positivo y negativo

alternadamente.

Tensin del capacitor.

Tensin de salida.

Tensin de corriente directa.

Tensin de corriente alterna.

Semiconductor de conmutacin.
http://es.wikipedia.org/wiki/Frecuenciahttp://es.wikipedia.org/wiki/Amplitudhttp://es.wikipedia.org/wiki/Amplitudhttp://es.wikipedia.org/wiki/Frecuencia


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V, A y W

Hz

Ah

Wh

RMS

Volts, Amperes, y Watts respectivamente.

Hertz (Numero de ciclos por segundo).

Amper-hora.

Watt-hora.

Root Mean Square ( Valor Eficaz)


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ANEXOS


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ANEXO A

HOJAS DE DATOS DEL MOSFET


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60


71/81

61


72/81

62


73/81

63


74/81

64

ANEXO B

HOJAS DE DATOS DEL TRANSISTOR 2N3055


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65


76/81

66


77/81

63


78/81

64

ANEXO C

VALORES COMERCIALES DE RESISTENCIAS


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65

ANEXO D

VALORES COMERCIALES DE CAPACITORES


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ANEXO E

CARACTERSTICAS DE LOS ACUMULADORES DE CICLADO

PROFUNDO LTH


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