Técnicas de control PWM en rectificadores controlados

128
Encuentro de Investigación en IE, 5 — 7 de Abril, 2006
Encuentro de Investigación en Ingeniería Eléctrica
Zacatecas, Zac, Abril 5 — 7, 2006
Técnicas de control PWM en
rectificadores controlados
Francisco Eneldo López Monteagudo1, José Álvarez Pérez2, Miguel
Eduardo González Elías2 y Jorge Luis Portal Gallardo2.
1
Universidad Central de Las Villas, Cuba,
Universidad Autónoma de Zacatecas, México, CP-98000.
TEL: +(492)9239407, ext. 1504, correo-e: eneldolm@yahoo.com,
migonzal2@hotmail.com, aalvarez@cantera.reduaz.mx
2
Resumen — En el presente trabajo se obtienen
criterios de diseño de los circuitos de control con
técnicas PWM en rectificadores controlados y se realiza
un estudio sobre su comportamiento con diferentes
cargas empleando herramientas de simulación, por lo
que se concluye que para elevar la calidad de la potencia
es necesario emplear técnicas avanzadas de
conmutación, con baja distorsión armónica de la
corriente y un alto factor de potencia de entrada,
modulando del ancho de los pulsos (PWM).
Finalmente para la validación de los resultados de las
simulaciones realizadas con el Matlab Simulink se
construyo un prototipo a escala de laboratorio con
excelentes resultados experimentales.
Abstract — In this work is obtained approaches of
design of the circuits of control with technical PWM in
rectifier controlled and is carried out a study on their
behavior with several loads using tools of simulation, for
it are concluded that in order to elevate the quality of
the power it is necessary use advanced techniques from
commutation, with low harmonic distorsion of the
current and a high factor of power of entering,
modulating of the width of the pulses (PWM).
Finally for the validacion of the results of the
simulations carried out with the Matlab Simulink am
built a prototype to scale of laboratory with excellent
experimental results.
Palabras clave — Rectificadores controlados, técnicas
PWM, Rectificadores con modulación del ancho del
pulso.
I. INTRODUCCIÓN
En los últimos años se ha incrementado el empleo
de convertidores electrónicos en la industria con
cargas no lineales, en las cuales predomina el empleo
de rectificadores. Es muy usual encontrar
rectificadores con distorsión armónica total de la
corriente superior al 40%, originando severas
sobrecargas en conductores y rectificadores.
Actualmente existe una tendencia al empleo de
rectificadores con técnicas PWM, los cuales en forma
general se clasifican como fuente de corriente o
voltaje, según Herranz [1], Estos rectificadores, con
respecto a los de conmutación lineal, según
Muhammad [2], los hacen superiores para los
requerimientos industriales, ya que tienen la
capacidad de eliminación de armónicos, por lo que
constituyen filtros activos, compensadores del factor
de potencia, en el accionamiento de máquinas
eléctricas.
Los rectificadores PWM con fuente de corriente se
emplean para el accionamiento de máquinas de
corriente directa desde el suministro trifásico con
válvulas muy rápidas tales como IGBT con las cuales
se pueden obtener corrientes casi sinusoidales. En
estos rectificadores se puede invertir casi
instantáneamente la potencia de salida, aspecto de
gran interés en el accionamiento de máquinas
eléctricas.
Los rectificadores PWM con fuente de voltaje
permiten el funcionamiento en los cuatro cuadrantes,
por lo que también se emplean en enlaces de sistemas
129
Encuentro de Investigación en IE, 5 — 7 de Abril, 2006
de suministro a diferente frecuencia, por ejemplo se
pueden emplear para conectar sistemas de 50 Hz con
sistemas de 60 Hz.
En el presente trabajo analizamos los principales
métodos de conmutación con técnicas avanzadas de
modulación del ancho del pulso (PWM), empleadas
en los rectificadores.
Como regla práctica con el objetivo de maximizar
la eficiencia de los convertidores, según Muhammad
[2] el período mínimo del oscilador debe ser cien
veces mayor que el tiempo de conmutación del
transistor.
En la mayoría de los rectificadores con técnicas
PWM es necesario convertir una fuente de corriente
directa (CD) de voltaje fijo en una fuente CD de
voltaje variable, mediante un convertidor CD-CD. Un
convertidor CD-CD, como su nombre lo indica,
realiza esta conversión en una sola etapa.
Los convertidores con técnicas PWM pueden
operar a frecuencia constante y a frecuencia variable
según Kang [3], Rodríguez [4 y 5] y Pindado [6].
A frecuencia variable el voltaje de salida depende
de la variación de la frecuencia de operación
conociéndose este método como modulación de la
frecuencia. La frecuencia debe variarse en un amplio
diapasón para obtener todo el rango de salida de
voltaje. Este tipo de control genera armónicos a
frecuencias no predecibles que hacen que el diseño
del filtro sea muy complejo.
A frecuencia constante la frecuencia de pulsación
(f) se mantiene constante variando solo el tiempo de
conducción (ton), el ancho del pulso se varía por lo
que este tipo de control se conoce como modulación
del ancho del pulso (PWM). Mientras mayor sea la
frecuencia de operación mayor será la de los
armónicos y por tanto más fácil será eliminarlos
mediante filtros.
II: DISEÑO DEL CONVERTIDOR
En este trabajo se diseño un rectificador trifásico de
media onda de voltaje variable, el mismo puede ser
utilizado para el control de velocidad de motores de
corriente directa. A partir de los análisis y resultados
obtenidos en el diseño, podemos definir el convertidor
formado por los bloques que se muestran en la
figura1.
Figura 1 Diagrama en bloque del convertidor
III. MÓDULO DE POTENCIA
El modulo de potencia es un rectificador trifásico
de media onda a base de tiristores (SCR), cuya
configuración circuital se muestra en la figura 2.
Dicho rectificador se diseño con estrategia de control
de fase.
Figura 2 Rectificador trifásico de media onda
IV. CIRCUITO DE MANDO
El circuito de mando es el encargado de
sincronizar los impulsos con los voltajes de ánodo a
cátodo de los tiristores, generar, amplificar y
distribuir los impulsos a los electrodos de mando de
los tiristores, a partir del voltaje de mando.
V. CONMUTACIÓN PWM EN LOS
RECTIFICADORES
Desde el punto de vista de la conmutación del
proceso, se pueden clasificar, según Muhammad [2],
en dos categorías importantes: rectificadores
controlados linealmente (Rectificadores a tiristores), y
los rectificadores de conmutación con técnicas PWM,
lo que nos da la posibilidad de escoger la mejor de
ellas para asegurar un buen funcionamiento.
130
Encuentro de Investigación en IE, 5 — 7 de Abril, 2006
La conmutación lineal tiene un efecto negativo en
el factor de potencia y en su calidad, ya que presenta
las siguientes desventajas:
• Generan un desplazamiento en atraso del factor
de potencia con respecto al voltaje.
• Generan una gran cantidad de corrientes de
armónicos.
Los problemas originados por los rectificadores
conmutados linealmente hacen que su aplicación
fundamental en los equipos que trabajan a baja
potencia inferior a los 600W. En estos convertidores
solo se logra mejorar la calidad de la forma de onda
de salida adicionando enormes filtros pasivos, los que
incrementan tamaño, peso y costo.
La conmutación con técnicas de control PWM,
permite mejorar la calidad de la corriente, y por
consecuencia el factor de potencia. Existen dos
grandes grupos de estos rectificadores monofásicos y
trifásicos conocidas como elevadores y reductores.
VI: Rectificadores trifásicos con estrategia de
control PWM
La sección Los rectificadores trifásicos con técnicas
PWM, según Muhammad [2], se construyen con
dispositivos con capacidad de apagado por compuerta:
GTO, MOSFET, IGBT, etc. lo que permiten el control
total del convertidor, debido a que las válvulas pueden
conmutarse (ON, OFF) cada vez que se requiera;
además posibilita la conmutación cientos de veces en
un período, lo que no es posible en un rectificador con
conmutación lineal donde los tiristores se disparan
solo una vez en el ciclo. Esta característica, según
Muhammad [2], tiene las siguientes ventajas:
• La corriente o el voltaje pueden modularse
generando poca contaminación de armónicos con
técnicas (PWM).
• El factor de potencia puede controlarse y hacerse
mejor.
• Pueden construirse como rectificadores tipo
fuente de voltaje o de corriente.
En accionamiento de máquinas eléctricas de
elevada potencia, se recomienda emplear los
rectificadores trifásicos PWM con válvulas muy
rápidas tales como IGBT ya que en estos
rectificadores se puede invertir la potencia, casi
instantáneamente.
Los
rectificadores
trifásicos
se
pueden
implementar como fuente de corriente o de voltaje, el
rectificador trifásico tipo fuente de corriente se
muestra en la figura 3.
Figura 3. Rectificador trifásico tipo fuente de
corriente
De estos rectificadores el más utilizado con fines
industriales según Muhammad [2], es el tipo fuente de
voltaje, su configuración básica se muestra en la
figura 4.
Figura 4. Rectificador trifásico tipo fuente de
voltaje
Su principio de operación básico consiste en
mantener el voltaje de la carga en un valor de
referencia deseado, usando un lazo de control. Para
lograr esta tarea el voltaje en la carga debe medirse y
compararse con la referencia. La señal de error
generada por esta comparación es usada para
conmutar las 6 válvulas del rectificador.
Cuando la corriente que circula por la carga (Id) es
positiva el capacitor (Cd) se descarga, y la señal de
error le pide al bloque de control más potencia del
suministro de corriente alterna (CA). El bloque de
control genera las señales PWM apropiadas para las 6
válvulas. De esta forma el voltaje del capacitor se
recupera. Inversamente, cuando Id es negativa (Cd) se
sobrecarga, y la señal de error le pide al bloque de
control que descargue el capacitor y regrese potencia
a la fuente AC.
El control PWM, según Muhammad [2], no solo
maneja la potencia activa, sino también la reactiva, lo
que le permite al rectificador corregir el factor de
potencia. Además la forma de onda de la corriente
alterna (Iac) puede mantenerse siempre sinusoidal,
reduciendo la contaminación de armónicos en la
fuente principal. Este control consiste en conmutar las
válvulas siguiendo un patrón predeterminado, el cual
Encuentro de Investigación en IE, 5 — 7 de Abril, 2006
puede ser una forma de onda sinusoidal de corriente o
voltaje.
Para hacer que el rectificador trabaje
apropiadamente el modelo de PWM debe generar un
patrón de voltaje modulado (Vmod) con la misma
frecuencia que la fuente de potencia. Cambiando la
amplitud de Vmod y haciendo un cambio de la fase
con respecto a la principal, el rectificador puede
operarse en los 4 cuadrantes.
Para la validación del análisis realizado en los
rectificadores trifásicos con técnicas de control PWM
se realizaron varias simulaciones empleando el
Matlab Simulink en operación reductora y elevadora
lo cual demuestra tanto su factibilidad de
implementación práctica como la reducción
significativa del contenido de armónicos.
En la figura 5 se muestra la configuración circuital
del rectificador trifásico nulo en operación reductora
con técnicas PWM y en las figuras 6 se muestran los
resultados de la simulación empleando el MATLAB
Simulink para carga resistiva pura.
131
Figura 6. Corriente y voltaje de salida del
rectificador trifásico nulo reductor con carga resistiva
pura
En la figura 7 se muestra la configuración circuital
del rectificador trifásico nulo en operación elevadora
con técnicas PWM y en las figuras 8 se muestran los
resultados de la simulación empleando el MATLAB
Simulink para carga resistiva pura.
Figura 5. Rectificador trifásico nulo reductor con
técnicas PWM
Figura 7. Rectificador trifásico nulo elevador con
técnicas PWM
132
Encuentro de Investigación en IE, 5 — 7 de Abril, 2006
En la figura 11 se muestra la configuración
circuital del rectificador trifásico puente en operación
elevadora con técnicas PWM y en la figuras 12 se
muestran los resultados de la simulación empleando el
MATLAB Simulink para carga resistiva pura.
Figura 8. Corriente y voltaje de salida del
rectificador trifásico nulo elevador con carga
resistiva pura
Figura 11. Rectificador trifásico puente elevador
con técnicas PWM
En la figura 9 se muestra la configuración circuital
del rectificador trifásico puente en operación
reductora con técnicas PWM y en las figuras 10 se
muestran los resultados de la simulación empleando el
MATLAB Simulink para carga resistiva pura.
Figura 9. Rectificador trifásico puente reductor
con técnicas PWM
Figura 12. Corriente y voltaje de salida del
rectificador trifásico puente elevador con carga
resistiva pura
VII. CONCLUSIÓN
Figura 10. Corriente y voltaje de salida del
rectificador trifásico puente reductor con carga
resistiva pura
1. Los rectificadores conmutados linealmente con
sistema de mando fase impulso monocanal ofrece
excelentes características de operación pero poseen un
alto índice de distorsión armónica, por lo que se
proponen estrategias de modulación del ancho del
pulso (PWM.
2. Los rectificadores con técnicas de modulación
del ancho del pulso en el proceso de conversión
necesitan emplear dispositivos totalmente controlados
con alta velocidad de conmutación, como GTO, IGBT
y MOSFET para obtener mínima distorsión de la
forma de onda del voltaje de salida.
Encuentro de Investigación en IE, 5 — 7 de Abril, 2006
3. Los resultados obtenidos en el presente trabajo
demuestran un magnífico desempeño en el
accionamiento de motores de corriente directa.
4. Finalmente se simularon varios rectificadores con
técnicas PWM con ayuda del Matlab Simulink
obteniéndose formas de onda con mínima distorsión,
lo cual valida los resultados de este trabajo en cuanto
a la aplicación de esta técnica para aquellas cargas
que requieren alta calidad del suministro
REFERENCIAS
[1] Herranz, A. Electrónica Industrial componentes
circuitos y sistemas de potencia, Editorial ETSI,
Madrid, España, 1994.
[2] Muhammad, H. Electrónica de potencia circuitos
dispositivos y aplicaciones, Editorial Prentice
Hall, México, 2004.
[3] Kang. D. W. Improved carrier wave-based
SVPWM
method
using
phase
voltage
redundances for generalized cascaded multilevel
inverter topology. Proc. Applied Power
Electronics Conference and Exposition, pages
542–548, 2000.
[4] Rodríguez. J. Multilevel inverters: A survey of
topologies, controls, and applications. IEEE
Transactions on Industrial Electronics, vol.
49:724–738, August 2002.
[5] Rodríguez. J. “A new modulation method to
reduce common-mode voltages in multilevel
inverters,” IEEE Trans. Indus. Electron., vol. 51,
pp. 834-839, Aug. 2004.
[6] Pindado. R. “Limits of the neutral-point balance
in back-to-back-connected three-level converters,”
IEEE Trans. Power Electron., vol. 19, pp. 722731, May 2004.
133