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FACULTAD DE INGENIERÍA ELÉCTRICA Y ELECTRÓNICA Electrónica y Automatización– Electricidad- Tecnologías de la Información-Telecomunicaciones

Período: 2021-A | http://www.epn.edu.ec/laboratorio-de-circuitos-electricos-y-mediciones/

LABORATORIO DE FUNDAMENTOS DE CIRCUITOS ELÉCTRICOS

PRÁCTICA 2 1. TEMA

INTRODUCCIÓN A MATLAB/SIMULINK APLICADO AL ANÁLISIS DE CIRCUITOS ELÉCTRICOS

2. OBJETIVOS

2.1. Familiarizar al estudiante con las herramientas básicas que provee el software

MATLAB/Simulink respecto a circuitos eléctricos.

2.2. Dar a conocer a los estudiantes las pautas generales relacionadas con la

simulación de circuitos eléctricos, así como con la resolución de preguntas de

preparatorios o informes donde se solicite el desarrollo o comprobación de

resultados mediante simulación.

3. MARCO TEÓRICO

Introducción a MATLAB

El entorno MATLAB, abreviatura de MATrix LABoratory, es decir, laboratorio de matrices, cuenta con numerosas herramientas de cálculo que lo convierten en una herramienta muy útil para profesionales de diversas ramas de la ciencia, en especial para ingenieros. Sus librerías o toolboxes especializadas en diferentes temáticas permiten simular modelos en Simulink de manera muy rápida. Particularmente en nuestro caso, se utilizará el Toolbox Simscape/SimPowerSystems que cuenta con numerosos bloques destinados al modelado de circuitos eléctricos, sistemas eléctricos de potencia, máquinas eléctricas, etc.

Interfaz de MATLAB

Una vez instalado MATLAB/SIMULINK, al iniciar el programa por primera vez aparecerá la interfaz de la Figura 1 con su disposición de ventanas (layout) por defecto (default). En esta interfaz se visualizan las principales ventanas o áreas de trabajo. En la ventana 1. Current Folder se pueden explorar carpetas y archivos y definir la carpeta actual. Todos los archivos que se ejecutarán deberán estar incluidos en la misma. En la ventana 2. Command Window se podrán ingresar líneas de comando en el punto de inserción denominado prompt (>>) y visualizar salidas y mensajes del sistema. En la ventana 3. Workspace se podrán visualizar las variables y constantes del sistema que se van creando durante la ejecución de comandos, importación de datos, etc. Mientras que, en



la ventana 4. Command History se visualizará el historial de los últimos comandos ejecutados pudiendo acceder nuevamente a los mismos.

Figura 1 Interfaz de MATLAB y sus principales ventanas

Introducción a Simulink

SIMULINK es una herramienta de MATLAB que ofrece un editor gráfico, bibliotecas de bloques personalizables y un conjunto de solvers, para modelar y simular sistemas dinámicos. La capacidad de integración de SIMULINK con MATLAB, le permite incorporar algoritmos de este lenguaje dentro de los modelos de SIMULINK, importar parámetros y datos necesarios para la simulación, y exportar los resultados de la simulación a MATLAB, para analizar los datos, realizar gráficos específicos, crear y exportar archivos, etc. Los sistemas dinámicos pueden ser simulados utilizando SIMULINK. En la mayoría de los casos, éstos implican procesos lineales o no lineales dependientes del tiempo, que pueden ser descritos mediante ecuaciones diferenciales (tiempo contínuo) o ecuaciones en diferencia (tiempo discreto).

El programa se inicia desde la ventana de MATLAB, a través de las siguientes opciones:

Con el comando >> simulink. A través del botón de SIMULINK presente en la barra de herramientas de

MATLAB



Figura 2 Botón de Simulink

En ambos casos se abre la interfaz inicial de simulink, la cual es similar a la figura 3.

Figura 3 Interfaz inicial de simulink

Al seleccionar blank model, se abre la ventana en que se modelará el sistema (Figura 4).



Figura 4 Nueva ventana para modelar el circuito

Al dar click en Library Browser, se abre el Simulink Library Browser (SLB) donde se visualizan las bibliotecas de bloques disponibles organizadas en grupos funcionales que pueden contener subgrupos:

Figura 5. Nueva ventana para modelar el circuito



Simulink, dispone de varias librerías que permiten simular diferentes aplicaciones, entre ellas la Simulación de Circuitos Eléctricos mediante Simscape Electrical. Se puede invocar a esta librería desde de Simulink o escribiendo simscape en el indicador de comandos de MATLAB.

Como ejemplo, se simula un circuito resistivo en serie con una fuente de voltaje (véase Figura 6). Los parámetros del circuito mostrado son VS=12 [𝑉], R1=7Ω y R2=5Ω.

R1

VS R2I

Figura 6 Circuito básico a modelar en Simulink

Para modelar este circuito se escribe en el prompt de MATLAB “simscape”, seleccionar “Electrical” y después se muestra la ventana simscape electrical (véase la Figura 7.a). En el menú File de la Figura 7.a, se abre una nueva ventana como se muestra en la Figura 4.

El bloque solver configuration de la Figura 7.b se conoce como el bloque de ambiente para los modelos Simscape Electrical y debe ser incluido en todos los modelos que contiene los bloques de Simscape Electrical. En consecuencia, se lo debe añadir al modelo del circuito, conectado al punto de referencia tal como se muestra en la Figura 8. Todo circuito debe poseer un punto de referencia (Electrical Reference) conectado.

a) b)

Figura 7. a) Librería Simscape Electrical b) Librería Simscape Utilities



Figura 8. Ventana con la adición del bloque solver configuration

A continuación, se tienen que añadir los componentes del circuito eléctrico mostrado en la Figura 6. Desde el bloque Sources mostrado por la Figura 7.a se selecciona el bloque Voltage Source y se lo arrastra a la ventana, desde el bloque Passive se selecciona y mueve el bloque Resistor, se realiza lo mismo con el bloque Electrical Reference ubicado en el bloque Connectors&References, del bloque Sensors&Transducers se seleccionan los bloques de medición de voltaje y corriente, y desde la librería de Simulink Sinks seleccionamos y arrastramos el bloque Display (visualización), finalmente del bloque Utilities se selecciona y arrastra el bloque Simulink-PS Converter. Los componentes del circuito a simular se presentan en la Figura 9.

Figura 9. Componentes del circuito a modelar

Desde el bloque Voltage Source se hace doble clic en él y desde la ventana de parámetros del bloque, este bloque permite simular fuentes AC y DC, en este caso se requiere una fuente DC de 12V por lo tanto se selecciona el componente DC voltaje con el valor fijado en 12V y los valores AC en 0V como se ilustra en la Figura 10.



Figura 10. Parámetros del bloque Voltage Source

Se requiere de otra resistencia de 5Ω para el modelo, por tanto, se copia y pega la resistencia de 7Ω y se modifica su valor en el bloque de parámetros, tal como se mostró en la Figura 10. Para girar la resistencia a la derecha basta con Ctrl+R. Adicionalmente, se necesitan dos bloques Display (visualización), uno para medir la corriente y otro para medir el voltaje, por tanto, se copia y pega el bloque Display en el modelo. El bloque Display debe ser conectado con el bloque de medición por medio del bloque Simulink-PS Converter. El circuito final a simular se muestra en la Figura 11.

Figura 11. Modelo final en Simscape Electrical del circuito de la Figura 6

Add-Ons

Los complementos o Add-Ons amplían las capacidades de MATLAB con muchas opciones disponibles, desde liberías (toolboxes) hasta aplicaciones que dan soporte a hardaware o incluso colaboraciones de la comunidad e MATLAB en diferentes campos, se los puede buscar, descargar e instalar sin salir del entorno de MATLAB usando el botón Add-Ons que se puede observar en la siguiente imagen.



Figura 12. Botón de Add-Ons en el entorno de MATLAB

Al hacer click en el botón de Add-Ons se despliega la ventana Explorador de complementos donde se pueden buscar dichos complementos como por ejemplo el circuito de carga RC de un capacitor. Una vez aue se encuentra el complemento deseado se lo puede agregar (descargar e instalar) usando el botón Add.

Figura 13. Explorador de complementos



Figura 14. Búsqueda de un complemento

Figura 15. Agregar un complemento

4. TRABAJO PREPARATORIO

Importante:

Para instalar MATLAB en su computador vaya a la link http://servicios-it.epn.edu.ec/index.php/descargas en donde encontrará el manual de instalación y el link para el portal de Mathworks. Confirmar que este seleccionada la librería Simscape cuando se realice la selección de los productos de MATLAB (pag. 9 del manual de instalación).

Además, es importante verifique que la librería Simscape se encuentre instalada en Simulink Library Browser (tal como se muestra en la Figura 12).

Se recomienda usar la versión instalada debido a que MATLAB online presenta algunas limitaciones.



Figura 126. Librería Simscape en Simulink Library Browser

4.1. En la figura 17, identificar, contabilizar y señalar el número de mallas, nodos

principales y secundarios. (Tiempo requerido: 10min)

Figura 137.Circuito Resistivo

4.2. Utilizando la ley de ohm y/o resistencias equivalentes encuentre las ecuaciones para calcular las caídas de voltaje en R1, R3 y R5. (Tiempo requerido: 20min)

4.3. Si V=10V, R1=R2=R3=4Ω, R4=0.5Ω y R5=1.5Ω, verifique si se cumple o no la relación: (Tiempo requerido: 15min)

𝑉 > 𝑉 4.4. Explique qué modificación (sólo una) debe realizarse en el circuito eléctrico para

que se cumpla: (Tiempo requerido: 10min) 𝑉 = 𝑉

4.5. Entregar el trabajo preparatorio de acuerdo a las indicaciones del instructor, hasta un máximo de 15min antes del inicio de la práctica de laboratorio.

4.6. Preparar una HOJA DE DATOS DIGITAL INDIVIDUAL acorde a las indicaciones de su instructor. (Tiempo requerido: 5min)



5. EQUIPO Y MATERIALES

Computador con conexión a internet y acceso a la plataforma de videoconferencia.

Computador con el software MATLAB/SIMULINK

6. PROCEDIMIENTO

6.1 MATLAB a) El instructor dará una introducción respecto al software Matlab y su

aplicación en circuitos eléctricos. (Tiempo estimado: 10min ) b) El instructor presentará métodos de resolución de sistemas de ecuaciones

utilizando MatLab. (Tiempo estimado: 20min) c) El instructor propondrá un sistema de ecuaciones y utilizando MATLAB,

realizar los cálculos necesarios a fin de determinar el resultado. NOTA: los cálculos deber ser realizados en MATLAB y no con calculadora. Los resultados deben ser añadidos a la hoja de datos. (Tiempo estimado: 20min)

6.2 SIMULINK a) Implementar en Simulink el circuito de la Figura 17 y encontrar las

corrientes y voltajes en cada elemento. Realizar una captura de pantalla. (Tiempo estimado: 20min)

b) Escoger una malla en el circuito de la Figura 17 y verificar que se cumpla que la suma algebraica de las caídas de voltaje de sus elementos es igual a cero. Detallar la malla y los elementos seleccionados (Tiempo estimado: 10min)

c) Implementar el esquema mostrado en la figura 18, conectar los instrumentos de medida, y a través del bloque Scope, observar las formas de onda de la corriente y voltaje en el resistor R2. Tomar en cuenta un tiempo de simulación de 0.1s. NOTA: El instructor detallará el funcionamiento y cómo configurar adecuadamente el bloque Scope para visualizar las dos formas de onda a la vez. Además, el instructor realizará una explicación de la(s) manera(s) de exportar las formas de onda obtenidas al workspace de MATLAB y como generar gráficas adecuadas que presenten de mejor manera los resultados. Añadir las gráficas generadas a la hoja de datos digital. (Tiempo estimado: 30 min)

Figura 18. Modelo en Simulink



6.3 Entregar la hoja de datos digital con el desarrollo de la práctica de acuerdo a las indicaciones del instructor. (Tiempo estimado: 10min)

7 INFORME

7.1 Comparar los resultados obtenidos tanto a mano, en MATLAB como en SIMULINK para los voltajes y corrientes del circuito de la Figura 17. Presentarlos en una tabla. (Tiempo requerido: 15min)

7.2 Implementar en SIMULINK el circuito de la Fig. 19, presentar la captura de pantalla del circuito implementado y una tabla con los valores de los voltajes y corrientes de todos los elementos. Tener en cuenta los siguientes valores R1=6Ω, R2=5Ω, R3=7Ω, R4=6Ω, R5=3Ω. (Tiempo requerido: 30min)

Figura 19. Circuito resistivo

7.3 Conclusiones y recomendaciones. (Tiempo requerido: 10min) 7.4 Bibliografía. (Tiempo requerido: 5min) 7.5 Entregar el informe de acuerdo a las indicaciones del instructor, 15min antes de

la siguiente sesión de laboratorio.

8 REFERENCIAS

(1) Electrónica Teoría de Circuitos, R. BOYLESTAD, L. NASHELSKY, Prentice-Hall, México.

(2) Getting Started with Simscape Electrical, MathWorks, https://la.mathworks.com/help/physmod/sps/getting-started-with-simscape-electrical.html

(3) Simscape Electrical Block Libraries, MathWorks, https://la.mathworks.com/help/physmod/sps/ug/simscape-electrical-block-libraries.html

Elaborado por: Área de Circuitos Eléctricos

Revisado por: Ing. Vanessa Benavides MSc. Coordinador Fundamentos de Circuitos Eléctricos Ing. Andrés Cela, MSc. Jefe de Laboratorio de Circuitos Eléctricos

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