Grupo 21 Fase2

UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD ESCUELA DE CIENCIAS BÁSICAS TECNOLOGÍA E INGENEIRÍA DESARROLLO UNIDAD________________________________________________________ 2 FASE 2 : ELECTRONICA DE POTENCIA ______________________________________________________ __________________________ ____________________________

ELECTRONICA DE POTENCIA

UNIDAD 2: FASE 2 - DISEÑAR LA ETAPA DE CONMUTACIÓN POR SPWM

Grupo: 203039_21 PRESENTADO POR: ROBERTO A. TIRADO ROMERO Código. 17959436 SEBASTIAN RESTREPO LOPEZ Código. 1035850821 JOSE MANUEL GOMEZ Código.

PRESENTADO A: JAIRO LUIS GUTIERREZ [Tutor]

UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA -UNAD ESCUELA DE CIENCIAS BÁSICAS TECNOLOGIA E INGENIERIAS INGENIERIA DE TELECOMUNICACIONES CEAD BOGOTA. JAG ABRIL 2018

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Introducción En el presente trabajo se expone la importancia y aplicaciones de la modulación de pulso senoidal SPWM. Esta aplicación en electrónica de potencia se basa en el control de potencia de la onda senoidal monofásica, por medio de la técnica SPWM, de forma tal que el ancho de pulso de la modulación PWM este relacionado con la función senoidal. Esta técnica hace que la distorsión armónica se desplace a mayor frecuencia y por consiguiente los filtros se verán simplificados. El funcionamiento básico de la modulación por ancho de pulso es simple, una serie de pulsos cuyo ancho es controlado por la variable de control. Es decir, que si la variable de control se mantiene constante o varía muy poco, entonces el ancho de los pulsos se mantendrá constante o variará muy poco respectivamente.

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Objetivo general Diseñar la etapa de conmutación por SPWM Objetivos específicos  

Conocer la modulación de ancho de pulso sinusoidal (SPWM). Diseñar el modulador de ancho de pulso.

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Etapa De Conmutación Por SPWM 2.1 Investigar y explicar detalladamente el concepto de modulación de ancho de pulso sinusoidal (SPWM) en un documento de máximo 1 página. La tecnología SPWM, es una tecnología madura. Esta técnica de control se basa en emplear una modulación múltiple (varios pulsos de disparo en cada medio ciclo de voltaje de salida), el ancho de cada pulso varía en proporción con la amplitud de una onda senoidal evaluada en el centro del mismo pulso .

Esquema de Modulación de Ancho de Pulso. La modulación se logra empleando una señal de control senoidal  a la frecuencia de salida deseada , que es comparada con una onda portadora triangular para generar las señales de disparo. La frecuencia de la forma de onda triangular establece la frecuencia de suicheo del inversor  , y esta se mantiene constante. El funcionamiento básico de la modulación por ancho de pulso es simple, una serie de pulsos cuyo ancho es controlado por la variable de control. Es decir, que si la variable de control se mantiene constante o varía muy poco, entonces el ancho de los pulsos se mantendrá constante o variará muy poco respectivamente. Si hacemos que el ancho de pulso no varíe linealmente con la variable de control, de modo que el ancho de los pulsos puede ser diferentes unos de otros, entonces sería posible seleccionar el ancho de los pulsos de forma que ciertas armónicas sean eliminadas. Existen distintos métodos para variar el ancho de los pulsos. El más común y el que incentiva esta ponencia es la modulación senoidal del ancho de pulso (SPWM). En el control PWM senoidal se generan los anchos de pulso al comparar un voltaje de referencia triangular de amplitud Ar y de frecuencia fr con otro voltaje semisenoidal portador de amplitud variable Ac y de frecuencia 2 fs. El voltaje semisenoidal de referencia está en fase con el voltaje de fase de entrada pero tiene 2 veces su frecuencia. La amplitud del voltaje semisenoidal de referencia controla el indice de modulacion M que varía entre 0 y 1, es decir, 0 a 100 %. El índice de modulacion se define como: M = Amplitud de semisenoidal de referencia / Amplitud de triangular de referencia En una modulación Página | 4


SPWM, el factor de desplazamiento es la unidad y el factor de potencia se mejora en gran medida respecto del PWM normal. Las armónicas de menor orden se eliminan o se reducen. Por ejemplo, con 4 pulsos por medio ciclo, la armónica de orden más bajo es la quinta y con seis pulsos por medio ciclo, la armónica de orden más bajo es la séptima. En esta implementación hacemos 39 pulsos por medio ciclo lo que nos da una armónica de menor orden de 4KHz aproximadamente. La señal senoidal de referencia debe ser pura, es decir que si el propósito es el control de potencia, y estamos hablando de una frecuencia de línea de 50 Hz, deberemos generar un senoide puro de 50 Hz sin obtenerlo de la misma línea. Esto es debido a que la tensión de línea se puede encontrar con mucha distorsión armónica y generaría errores en la precisión del SPWM los cuales serían aumentados por el efecto de aliasing en el ADC.

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2.2 Se debe diseñar el modulador modulador de ancho de pulso cumpliendo con lo siguiente: 

Tipo de modulación SPWM, si es unipolar o bipolar.

Tipo de modulación SPWM Bipolar. Mediante esta técnica se utiliza una única señal de referencia senoidal  , y una señal portadora triangular Vtri que fija la frecuencia de conmutación, de modo que: Si  >  Si  < 

→

→

=+VDC =-VDC

(Q1 y Q4 ON).

(Q2 y Q3 ON).

En la Figura se muestran las formas de ondas para la modulación Spwm bipolar:

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Tipo de modulación SPWM Unipolar. Mediante esta técnica se utilizan dos señales de referencia senoidal  _ y  _, y una señal portadora triangular  que fija la frecuencia de conmutación, de modo que: Si  _ >  → VA=+VDC (Q1 ON). Si  _ <  → VA=0 (Q2 ON). Si  _ <  → VB=0 (Q4 ON). Si  _ >  →  =+VDC (Q3 ON).

En la Figura se muestran las formas de ondas para la modulación Spwm unipolar:

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La principal ventaja que presenta el pwm con modulación de voltaje unipolar frente al bipolar, es que reduce el número de armónicos. Concretamente los armónicos de menor frecuencia están localizados alrededor del doble de la frecuencia de conmutación. Otra ventaja es que estresa en menor medida los componentes posteriores de filtrado, al conmutar la salida entre 0 y +/-VDC, en lugar de entre +VDC y –VDC [3]. De la comparación de las distintas topologías se pueden sacar las siguientes conclusiones: La amplitud del primer armónico de la tensión de salida del inversor (Vab) es el doble en el puente completo que en el medio puente. 

Los armónicos aparecen a mayor frecuencia con PWM unipolar en comparación con PWM bipolar, pero el control es más complejo porque se necesitan dos señales moduladoras. Con estas conclusiones, según los requerimientos del inversor, se puede optar por una u otra topología con el control adecuado. Así, para nuestra aplicación a plicación interesa una salida de máxima amplitud, por lo que conviene la topología de puente completo, y con armónicos 

Desplazados en frecuencia lo máximo posible respeto al primer armónico, que será de frecuencia muy baja, para facilitar el filtrado, esto es, conviene un control pwm unipolar. Se debe diseñar el modulador de ancho de pulso cumpliendo con lo siguiente: 

Cálculo del Índice de modulación de amplitud.



Cálculo del índice de modulación en frecuencia.



Gráfica del nivel de distorsión armónica característico.

El inversor necesita 3 estados para poder generar una onda seno que satisfaga las características de comportamiento de la corriente alterna, por eso la modulación que se requiere es la modulación SPW Unipolar, ya que con esta se consigue que para semiciclos positivos, la tensión de salida conmute entre + y 0 mientras que para los semiciclos negativos lo haga entre − y 0. Además de que con este tipo de modulación los primeros armónicos aparecen a dos veces la frecuencia de conmutación, por lo que los componentes L y C podrán tomar valores menores para una misma atenuación de los armónicos. Esto implica menor espacio, más baratos y menores efectos parásitos.

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Mientras que en la modulación bipolar el control de los cuatro interruptores depende de una sola señal de control, en la modulación unipolar se controla cada rama del puente por separado, rama izquierda S1 y S4 y rama derecha S2 y S3. Ambas ramas comparten señal portadora, pero a una rama se le aplica la señal de control con un cierto desfase respecto a la otra, es posible demostrar que si este desfase es de 180° se anulan los armónicos en las cercanías de i, frecuencia de la onda portadora, y los múltiplos impares de la misma; es decir, los armónicos de orden cercano a , 3, 5. . .

En el control PMW senoidal se generan los anchos de pulso al comparar un voltaje de frecuencia triangular de amplitud Ar y de frecuencia fr con otro voltaje semisenoidal portador de amplitud variable Ac y de frecuencia 2 fs. El voltaje semisenoidal de referencia está en fase con el voltaje de fase de entrada pero tiene 2 veces su frecuencia. La amplitud del voltaje semisenoidal de referencia controla el indice de modulacion M que varía entre 0 y 1, es decir, 0 a 100 %. El índice de modulacion se define como: M = Amplitud de Página | 9


semisenoidal de referencia / Amplitud de triangular de referencia En una modulación SPWM, el factor de desplazamiento es la unidad y el factor de potencia se mejora en gran medida respecto del PWM normal. El Cálculo del Índice de modulación de amplitud. Para el valor de este cálculo debemos conocer dos valores fundamentales, la frecuencia de conmutación o frecuencia portadora (triangular), y la frecuencia de referencia la cual es la frecuencia que deseamos a la salida (sinusoidal). Para este cálculo es importante que la señal triangular sea lo más perfecta que se pueda y la frecuencia muy alta permitiendo el desplazamiento de los armónicos  =  =

  0.9 = 0.9 1

Es decir, que designando la amplitud de la señal moduladora como  = 0.9  y la amplitud de la señal portadora portadora como  = 1. Tenemos por lo tanto que: Donde  es la relación entre la amplitud de la señal moduladora y la amplitud de la señal portadora, para una topología de puente completo, según el valor de  se pueden distinguir tres zonas de modulación: 0 <  ≤ 1 zona lineal en la que el ancho de los pulsos aumenta a medida que lo hace la tensión tensión de referencia, 1 <  < 3,54 zona de sobre modulación en la que dos o más pulsos se unen formando un único pulso y  ≥ 3,54 onda cuadrada en la que únicamente hay un pulso pulso por semiciclos.

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El Índice de modulación en frecuencia esta descrito por la siguiente ecuación:  =

 

Donde se define  como la relación entre la frecuencia de la señal moduladora y la frecuencia de la señal portadora, teniendo una relación donde si  < 21 se dice que un inversor está muy poco modulado, mientras que si  > 21 se dice que está muy modulado. De igual manera, como la frecuencia de la señal de salida que se necesita es de 60 , se establece que la frecuencia de la onda moduladora es  = 60 6 0 y la frecuencia de la señal portadora como  = 660. Tenemos por lo tanto que:  =

 

=

60 660

= 11

 = 11

Gráfica del nivel de distorsión armónica característico.

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2.3 Entregar el diagrama esquemático resultante del modulador SPWM que usara para controlar la conmutación del puente inversor y los resultados de la simulación. Diagrama esquemático resultante del modulador, inversor SPWM Unipolar

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Resultados de la simulación. simulación.


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PWM circuito y simulación.

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Simulación para el circuito implementado de PWM

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Conclusiones



Con el desarrollo de una modulación por ancho de pulsos analizamos la señal senoidal que de acuerdo a la variable de control la cual se mantiene constante.



Se realizan cálculos para el Índice de modulación de amplitud, índice de modulación en frecuencia además de Gráfica del nivel de distorsión armónica característico.



De igual manera se implementa en Simulink el circuito para SPWM, PWM. Logrando controlar la conmutación del puente inversor y los resultados de la simulación



se desarrolla la actividad basada en problemas aplicados al aprendizaje dando solución a los mismos.

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Referencias bibliográficas 

Recuperado de: http://www.edutecne.utn.edu.ar/microcontrol_congr/industria/Control_potencia_p or_SPWM.pdf



Recuperado de: http://digital.ni.com/public.nsf/allkb/AA1BDEA4AA224E3E86257CE400707527



Recuperado de: https://earchivo.uc3m.es/bitstream/handle/10016/6955/PFC_Daniel_Estrella_Alvaro.pdf?se quence=2



Jacobi, D. -P. (2018). (201 8). Control de Potencia Monofásica por SPWM. Obtenido de http://www.edutecne.utn.edu.ar/microcontrol_congr/industria/Control_potencia_p or_SPWM.pdf



M. Gonzalez, F. (2018). GENERALIDADES DE LA MODULACIÓN DE ANCHO DE PULSO . Obtenido de http://fglongatt.org/OLD/Reportes/RPT2004-03.pdf

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Grupo 21 Fase2

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