INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL

ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA UNIDAD CULHUACAN

INGENIERÍA EN COMUNICACIONES Y ELECTRÓNICA

SISTEMA DE SENSADO, ACONDICIONAMIENTO Y PROTECCIÓN PARA UN FILTRO ACTIVO DE 2 kVA

TESIS QUE PARA OBTENER EL TÍTULO DE INGENIERO EN COMUNICACIONES Y ELECTRÓNICA

PRESENTAN C. Onesimo Flores Acoltzi C. Jared García Juárez

Bajo la dirección de: Dr. Ismael Araujo Vargas Ing. Fermín Valencia Figueroa

México D.F. Abril del 2014

INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA UNIDAD CULHUACAN TESIS COLECTIVA Que como prueba escrita de su Examen Profesional para obtener el Título de Ingeniero en Comunicaciones y Electrónica, deberán desarrollar los C. C.: ONESIMO FLORES ACOLTZI JARED GARCIA JUAREZ “SISTEMA DE SENSADO, ACONDICIONAMIENTO Y PROTECCION PARA UN FILTRO ACTIVO DE 2 kVA” CAPITULADO En el Sistema de Transporte Colectivo (STC) se utilizan convertidores, transformadores de energía y diversas cargas no lineales. Así mismo estas cargas generan un alto contenido armónico y una baja calidad de energía eléctrica en el suministro, lo que ocasiona bajo aprovechamiento y distorsión de formas de onda en los circuitos electrónicos utilizados. Una forma de corregir la energía suministrada es mediante la utilización de un filtro activo de potencia que compense la corriente de suministro. Para lo anterior es altamente necesario utilizar sensores y los dispositivos necesarios que apoyen al filtro activo típo shunt el cual eleva la calidad de energía consumida por una carga no lineal. El objetivo de este trabajo es implementar un sistema de sensado, acondicionamiento y protección para un filtro de 2 kVA lo cual justifica el desarrollo de este trabajo.

Capítulo I.- Introducción y revisión literaria Capítulo II.- Descripción y habilitación preliminar del filtro activo Capítulo III.- Diseño de sistema de sensado, acondicionamiento y protección Capítulo IV.- Construcción y verificación experimental Capítulo V.- Conclusiones México D. F., a 20 de febrero del 2014

PRIMER ASESOR:

ING. FERMIN VALENCIA FIGUEROA

Vo. Bo.

M. en C. ANTONIO ROMERO ROJANO JEFE DE LA CARRERA DE I.C.E.

SEGUNDO ASESOR:

ING. ISMAEL ARAUJO VARGAS

APROBADO

M. en C. HÉCTOR BECERRIL MENDOZA SUBDIRECTOR ACADÉMICO

AGRADECIMIENTOS A mi madre Esther Acoltzi Xochitiotzi por darme la vida, por su apoyo, por confiar siempre en mí y sobre todo por ser un gran ejemplo de superación que me ha motivado a salir adelante. A mi hermano Josue Flores Acoltzi por apoyarme a pesar de los malos momentos, por sus invaluables consejos y por ser una persona a la que puedo seguir. Eres un buen ejemplo para la familia. A mis demás hermanos Nahim, Agueda, Ubaldo, Misael Y Monserrat, por los momentos que hemos vivido, porque sé que nuestra historia es única e increíble y me ha impulsado a lograr mis objetivos. A mis sobrinos Josue, Jessika, Nahim, Aldo, Gustavo y Ximena, espero ser un buen ejemplo para todos ustedes. A Abigail León Xelhuantzi, por su apoyo, confianza y comprensión, porque aunque sea muy discreto es suficiente para motivarme. A mi principal pilar en este tiempo Andrey Flores León, espero que algún día estés muy orgulloso de mí. A mis compañeros y amigos Jared, Razo, Puly, Chucho, Kevin, niño, Pancho, Cid, Panamá, Cano y Jacita, por los momentos agradables que vivimos. Al Instituto Politécnico Nacional y a mi escuela ESIME Culhuacan por brindarme una preparación personal y profesional. A los profesores Ing. Fermín Valencia y al M. en C. Mario Ponce por el apoyo que me han brindado, su confianza y su amistad invaluable, es un honor trabajar con profesores como ustedes. Al Dr. Ismael Araujo Vargas por darme la oportunidad de formar parte de su equipo de trabajo, por su confianza y apoyo, por compartir conmigo sus conocimientos y dirigir este trabajo de tesis.

Onesimo Flores Acoltzi

AGRADECIMIENTOS A mis padres Daniel García Martínez Y María del Carmen Juárez Espinoza por su apoyo incondicional en todo el camino de mi carrera. También así como su gran sacrificio por darme una educación a pesar de lo difícil que fue para ellos. Con sus consejos y motivación para superar cada obstáculo que se interpuso en mi vida. A mis hermanos Daniel García Juárez y Paola García Juárez por su gran apoyo a pesar de los buenos y malos momentos siempre estuvimos juntos para supera toda situación. Mis abuelos Manuel Juárez Aranda Y Eugenia Espinoza Jiménez por todo el gran apoyo, motivación e inspiración que comparte como buenas personas que son. Un gran ejemplo a seguir. A mi buen amigo y primo Darío por ser como un hermano y pasar buenos momentos viviendo en este lugar lejos de casa para cumplir con nuestras metas. A todos mis compañero en especial a Onésimo, José Luis, Gustavo, Tenorio, Javier, Nancy, Nury. Por compartirme su amistad y acompañarme en los buenos momentos, son detalles que marcan para toda la vida. A Frida una compañerita muy especial que siempre me apoyo y estuvo a mi lado desde el primer momento, es una gran inspiración no solo por su gran dedicación para hacer las cosas sino también porque me hace sentir tan libre que hace ver el mundo una aventura. Al Instituto Politécnico Nacional en especial a ESIME Culhuacán por darme la oportunidad y el privilegio de estudiar en su instalaciones así como compartirme su conocimiento y disciplina que aprendí como jugador de futbol americano en Cheyenes Culhuacán. A los profesores Ing. Fermín Valencia Figueroa y M. en C. Mario Ponce no solo por compartir sus conocimiento y experiencia profesional, sino también por la amistad y apoyo que me ofrecen. A Dr. Ismael Araujo Vargas por haberme aceptado como un integrante más en su equipo de trabajo, así también como su apoyo en el proyecto. Jared Garcia Juarez

ÍNDICE R E S U M E N ......................................................................................................................................................................................... 1 C A P Í T U L O ................................................................................................................................................................... 2 1.

INTRODUCCIÓN Y REVISIÓN LITERARIA ..................................................................................................... 2 1.1

Introducción .................................................................................................................................................................... 2

1.2

Revisión literaria sobre filtros de potencia ....................................................................................................... 3

1.3

Clasificación de los filtros de potencia ................................................................................................................. 4

1.3.1

Filtros Pasivos ...................................................................................................................................................... 4

1.3.1.1

Filtro pasivo en serie ................................................................................................................................... 5

1.3.1.2

Filtro pasivo en paralelo o tipo shunt .................................................................................................. 5

1.3.1.3

Filtro pasivo compuesto ............................................................................................................................. 6

1.3.2

Filtros activos ....................................................................................................................................................... 7

1.3.2.1

Filtro activo en serie .................................................................................................................................... 8

1.3.2.2

Filtro activo en paralelo o tipo shunt ................................................................................................... 8

1.3.2.3

Filtro activo compuesto .............................................................................................................................. 9

1.3.3 1.4

Filtros híbridos .................................................................................................................................................... 9 Filtro Activo tipo Shunt ........................................................................................................................................... 10

1.4.1

Descripción general del Filtro Activo Shunt ........................................................................................ 12

1.5

Filtro activo tipo shunt propuesto ...................................................................................................................... 14

1.6

Revisión literaria sobre transductores para convertidores de energía ............................................. 15

1.6.1

Clasificación general de los transductores ........................................................................................... 15

1.6.2

Tipos de transductores ................................................................................................................................. 15

1.6.3

Transductores de voltaje.............................................................................................................................. 16

1.6.3.1

Efecto Hall ..................................................................................................................................................... 16

1.6.3.2

Transformador ............................................................................................................................................ 17

1.6.3.3

Divisor de tensión ...................................................................................................................................... 18

1.6.4

Transductores de corriente ........................................................................................................................ 18

1.6.4.1

Resistor shunt o paralelo ........................................................................................................................ 18

1.7

Protección contra fallas ........................................................................................................................................... 19

1.8

Resumen de la revisión literaria .......................................................................................................................... 20

1.9

Planteamiento del problema ................................................................................................................................. 20

1.10

Justificación ................................................................................................................................................................... 21

1.11

Objetivos ........................................................................................................................................................................ 21

1.12

Descripción de la tesis ............................................................................................................................................. 22

1.13

Referencias .................................................................................................................................................................... 23

C A P Í T U L O ................................................................................................................................................................ 24 2.

DESCRIPCIÓN Y HABILITACIÓN PRELIMINAR DEL FILTRO ACTIVO .............................................. 24 2.1

Introducción ................................................................................................................................................................. 24

2.2

Filtro activo dentro del diagrama eléctrico del STC ................................................................................... 24

2.3

Descripción del filtro activo ................................................................................................................................... 25

2.1.1

Etapa de potencia ............................................................................................................................................ 25

2.1.2

Etapa de control ............................................................................................................................................... 26

2.1.2.1

Microcontrolador ....................................................................................................................................... 26

2.1.2.2

Drivers ............................................................................................................................................................ 27

2.1.3 2.4

Etapa de instrumentación ........................................................................................................................... 27 Habilitación preliminar del filtro activo........................................................................................................... 28

2.4.1

Requisitos de habilitación ........................................................................................................................... 29

2.4.1.1 2.4.2

Carga de capacitores ................................................................................................................................. 29 Secuencia de operación del filtro ............................................................................................................. 30

2.5

Breve introducción a la teoría p-q ...................................................................................................................... 32

2.6

Resumen ......................................................................................................................................................................... 32

2.7

Referencias .................................................................................................................................................................... 33

C A P Í T U L O ................................................................................................................................................................ 34 3.

DISEÑO DE SISTEMA DE SENSADO, ACONDICIONAMIENTO Y PROTECCIÓN .............................. 34 3.1

Introducción ................................................................................................................................................................. 34

3.2

Acondicionamiento de señales ............................................................................................................................. 34

3.3

Capacitores de desacople........................................................................................................................................ 35

3.4

Transductor y acondicionador de voltaje de corriente alterna (CA) .................................................. 36

3.4.1

Transductor de voltaje de CA ..................................................................................................................... 36

3.4.2

Circuito de acondicionamiento para el transductor de voltaje de CA ...................................... 37

3.5

Acondicionamiento del voltaje de corriente directa (CD)........................................................................ 42

3.6

Uso del transductor LEM para mejorar la señal del voltaje de CD. ...................................................... 46

3.7

Transductor y acondicionador de corriente alterna (CA) ....................................................................... 48

3.7.1

Transductor de CA .......................................................................................................................................... 48

3.7.2

Circuito de acondicionamiento para el transductor de CA ........................................................... 49

3.8

Señales de control e interruptores para carga de capacitores .............................................................. 55

3.9

Circuito de protección .............................................................................................................................................. 57

3.10

Resumen ......................................................................................................................................................................... 58

3.11

Referencias .................................................................................................................................................................... 58

C A P Í T U L O ................................................................................................................................................................ 59 4.

CONSTRUCCIÓN Y VERIFICACIÓN EXPERIMENTAL ............................................................................... 59 4.1

Introducción ................................................................................................................................................................. 59

4.2

Uso de planos de tierra en el diseño de PCBs ................................................................................................ 59

4.3

Transductor y acondicionador del voltaje de CA ........................................................................................ 60

4.3.1

Tarjeta de circuito impreso ......................................................................................................................... 60

4.1.1

Formas de onda ................................................................................................................................................ 61

4.4

Transductor y acondicionador de CA ................................................................................................................ 63

4.4.1

Tarjeta de circuito impreso ......................................................................................................................... 63

4.4.2

Formas de onda ................................................................................................................................................ 64

4.5

Transductor y acondicionador de corriente utilizando plano de tierra ............................................ 67

4.5.1

Tarjetas de circuito impreso ....................................................................................................................... 67

4.5.2

Formas de onda ................................................................................................................................................ 68

4.6

Transductor y acondicionador del voltaje de CD ......................................................................................... 70

4.6.1

Tarjeta de circuito impreso ......................................................................................................................... 70

4.6.2

Tarjeta de circuito impreso utilizando el transductor LEM ......................................................... 71

4.7

Tarjeta de circuito impreso para carga de capacitores ............................................................................ 72

4.8

Tarjeta de circuito impreso para protección ................................................................................................. 74

4.9

Construcción del filtro activo tipo shunt ......................................................................................................... 76

4.10

Pruebas finales ............................................................................................................................................................ 77

4.11

Resumen ......................................................................................................................................................................... 78

4.12

Referencias .................................................................................................................................................................... 78

C A P Í T U L O ................................................................................................................................................................ 79 5.

CONCLUSIONES................................................................................................................................................... 79 5.1

Conclusiones generales ........................................................................................................................................... 79

5.2

Trabajo futuro .............................................................................................................................................................. 80

ÍNDICE DE FIGURAS ....................................................................................................................................................................... 81 GLOSARIO ............................................................................................................................................................................................ 83 A P É N D I C E A ........................................................................................................................................................... 85 Hojas de datos de componentes utilizados .......................................................................................................................... 85 A P É N D I C E B ........................................................................................................................................................... 93 PCBs para las diferentes placas de circuito impreso ....................................................................................................... 93 A P É N D I C E C ........................................................................................................................................................... 99 Tablas de componentes y precios............................................................................................................................................. 99

RESUMEN

En esta tesis se presenta el análisis, diseño y construcción de un sistema de sensado, acondicionamiento y protección para un filtro activo de 2 kVA. Explica la conformación y el principio de operación del filtro activo, así como la importancia de implementar un sistema de instrumentación sofisticado. Se detallan aspectos como la elección de los componentes electrónicos y las consideraciones para el diseño de los diferentes circuitos eléctricos de este sistema desarrollado. Finalmente se describe el ensamble del prototipo y los factores tomados en cuenta para optimizar la operación del filtro. En conjunto con lo anterior, se detallan los resultados experimentales obtenidos.

1

CAPÍTULO 1. INTRODUCCIÓN Y REVISIÓN LITERARIA 1.1 Introducción La utilización de cargas no lineales se ha incrementado notablemente debido al avance en el desarrollo de los dispositivos electrónicos de potencia. Este tipo de carga consume corriente con alto contenido armónico, la cual debe ser suministrada por la fuente de alimentación y transportada por la línea de transmisión, produciéndose un aumento de las pérdidas debido al incremento en el valor eficaz de dicha corriente. El consumo de corriente con alto contenido armónico, además de generar pérdidas en la línea, disminuye la calidad de la energía suministrada y establece penalizaciones por parte de los proveedores de energía eléctrica. Por ello, la eliminación de estos armónicos implica una reducción de costos en la operación del sistema. La forma de compensar las corrientes armónicas consumidas por una carga no lineal es mediante la utilización de filtros de potencia ya sea pasivo, activo o híbrido y en serie, paralelo o compuesto. A su vez, los convertidores que manejan una potencia considerable, tienen el riesgo de sufrir fallas ocasionadas por diversas condiciones de operación excesivas, ya sea por sobrecorriente o sobrevoltaje, o bien estados transitorios, sobrecarga o alta temperatura en el sistema. De manera que es necesario proteger al filtro activo mediante dispositivos de apertura y deshabilitación de los semiconductores.

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Capítulo 1. Introducción y revisión literaria

En este capítulo se presenta la importancia de utilizar filtros de potencia para eliminar la distorsión armónica en redes de suministro de energía. De igual manera se describe de una manera breve la clasificación de los filtros y las diferentes configuraciones que existen. En particular se describen las características básicas del filtro activo shunt y el principio de funcionamiento. También se detallan los tipos de transductores para convertidores de potencia y la protección contra fallas particularmente para el filtro activo.

1.2 Revisión literaria sobre filtros de potencia El incremento en el uso de dispositivos electrónicos a base de semiconductores ha traído consigo durante los últimos años, un interés en el acondicionamiento de los sistemas de distribución de energía eléctrica, con el fin de mejorar la calidad de la energía. En sus orígenes, las redes de distribución no fueron pensadas para la alimentación de cargas no lineales. En la actualidad, la desventaja de este tipo de cargas se presenta en la ineficiencia de la red. Cuando comenzaron a detectarse problemas en las redes de distribución debido a la aparición de armónicos en las corrientes y voltajes, se empezó a dimensionarse el alcance de las repercusiones de sus efectos, surgieron varias propuestas para la solución del problema. La selección de un método depende de varias razones, entre ellas: la instalación eléctrica, el grado de distorsión de las corrientes y voltajes, la potencia del sistema, la naturaleza de la carga, etc. Así, el tipo de acondicionamiento seleccionado puede comprender la instalación de filtros. Un filtro electrónico es un sistema que tiene como función discriminar una determinada frecuencia o gama de frecuencias de una señal eléctrica que circulan a través de un circuito, pudiendo modificar su amplitud y su fase [1-4]. La Figura 1.1 presenta un conjunto de corrientes trifásicas generadas por el uso de una carga no lineal y en el instante t= 5 ms es activado un filtro activo tipo shunt que corrige estas corrientes de línea.

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Capítulo 1. Introducción y revisión literaria

Figura 1.1 Formas de onda aplicando un filtro.

1.3 Clasificación de los filtros de potencia Los filtros varían en configuración, funcionamiento y capacidad con la que pueden acondicionar la red de energía eléctrica, esto depende de los requerimientos mismos de la red, las características de la carga y de la calidad de la energía. De modo que la clasificación general dentro de los filtros de potencia se presenta a continuación [1-1]:  Filtros Pasivos.  Filtros Activos.  Filtros híbridos. 1.3.1

Filtros Pasivos

Utilizan componentes pasivos, principalmente inductores y capacitores. Estos son recomendados en instalaciones que manejan más de un dispositivo generador de armónicos en sistemas con potencias superiores a los 200 kVA. Los filtros pasivos tienen gran capacidad de acondicionamiento de corrientes. Por la forma en cómo están conectados en la red, se clasifican como:  Filtro pasivo en serie.  Filtro pasivo en paralelo o tipo shunt.  Filtro pasivo compuesto.

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Capítulo 1. Introducción y revisión literaria

1.3.1.1 Filtro pasivo en serie

Esta configuración es aplicable cuando se pretende corregir distorsiones en el voltaje. En la Figura 1.2 se muestra el diagrama de conexión para este circuito [1-1], donde LS1, LS2 y LS3 representan una inductancia muy pequeña equivalente del sistema de energía debido al punto de acoplamiento común. LFn y CFn representan los valores del inductor y capacitor respectivamente del filtro pasivo en serie del sistema trifásico.

Figura 1.2 Configuración del circuito para un filtro pasivo en serie.

1.3.1.2 Filtro pasivo en paralelo o tipo shunt

Esta

configuración es común cuando se desea corregir la distorsión de las

corrientes en una red. En la mayor parte de los sistemas eléctricos y redes de distribución son las corrientes las que se ven especialmente afectadas, no tanto así los voltajes, por lo que los filtros pasivos tipo shunt son más comunes en las instalaciones eléctricas. En la Figura 1.3 se observa el diagrama de conexión para este circuito [1-1], donde LFn y CFn representan los valores del inductor y capacitor respectivamente del filtro pasivo tipo shunt del sistema trifásico.

Figura 1.3 Configuración del circuito para un filtro pasivo tipo shunt.

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Capítulo 1. Introducción y revisión literaria

1.3.1.3 Filtro pasivo compuesto

Esta configuración se aplica en casos especiales, donde tanto la corriente como el voltaje se hallan distorsionados, la instalación de este tipo de filtros es la más recomendada. En la Figura 1.4 se muestra el diagrama de conexión de este circuito [1-1], donde LFn y CFn representan los valores del inductor y capacitor respectivamente del filtro pasivo en serie; Lgn y Cgn representan los valores del inductor y capacitor respectivamente del filtro pasivo tipo shunt del sistema trifásico utilizado. .

Figura 1.4 Configuración del circuito para un filtro pasivo compuesto.

El principio de operación de un filtro pasivo es sencillo. Un circuito LC se sintoniza a la frecuencia del armónico que se desea eliminar y posteriormente se conecta, ya sea en paralelo (para corregir la distorsión de corriente) o en serie (para corregir la distorsión de voltaje) con el dispositivo causante de la distorsión armónica. El circuito absorbe el armónico de interés evitando que llegue a la fuente de suministro. Como el circuito LC tiene efecto sobre una frecuencia, en concreto sobre un armónico, si se quiere actuar sobre un rango de órdenes, deben instalarse tantos circuitos LC como armónicos a eliminar.

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Capítulo 1. Introducción y revisión literaria

Una gran desventaja de los filtros pasivos es que pueden introducir resonancia en los sistemas de potencia. Así mismo, requieren para su instalación que el sistema donde se situarán sea suficientemente estable, es decir, con pocos cambios de carga y variaciones de baja intensidad. El estudio de la red debe considerar la presencia de los bancos de capacitores y otros elementos pasivos conectados a ella, previendo que incluso estos elementos puedan ser desconectados. 1.3.2

Filtros activos

Desde que se sentaron las bases para la generación de armónicos, tarea que se volvió práctica desde los años 80´s, los filtros activos constituyen una solución eficiente para la eliminación de la distorsión armónica. Así como la corrección de factor de potencia, equilibrio de cargas y compensación de sus variaciones y regulación de voltaje. Su aplicación es factible en instalaciones que manejan potencias inferiores a los 200 kVA y en situaciones muy drásticas donde la distorsión de corriente debe ser reducida para evitar sobrecarga. Son capaces de compensar armónicos sobre un rango amplio de frecuencias y se adaptan a cualquier carga. Su capacidad de acondicionamiento está limitada básicamente por la potencia, siendo ésta su principal desventaja. El principio de operación de un filtro activo se basa en la inserción de armónicos en fase opuesta que contrarresten los armónicos producidos por la carga, de manera que en el suministro se obtengan corrientes y voltajes en fase y puramente senoidales. Para este objetivo los filtros activos hacen uso de dispositivos electrónicos de potencia, como los puentes inversores. Al igual que sus homólogos pasivos, los filtros activos se clasifican en:  Filtro activo en serie.  Filtro activo en paralelo o tipo shunt.  Filtro activo compuesto.

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Capítulo 1. Introducción y revisión literaria

1.3.2.1 Filtro activo en serie

Esta configuración es recomendada para contrarrestar la distorsión que se presenta en los voltajes. En la Figura 1.5 se muestra el diagrama de conexión de este circuito [1-1], donde VC1, VC2 y VC3 representan a dos inductores acoplados y controlados por medio de un puente H con un capacitor de carga C, lo cual forma parte del filtro activo en serie.

Figura 1.5 Configuración del circuito para un filtro activo en serie.

1.3.2.2 Filtro activo en paralelo o tipo shunt

Esta es la configuración más común dado que es la que se emplea para suprimir la distorsión armónica en las corrientes, y se describirá con más detalle en el siguiente apartado. En la Figura 1.6 se puede ver el diagrama de conexión de este circuito [1-1], donde el filtro activo tipo shunt está compuesto por un capacitor de carga VO, tres ramas inversoras (seis transistores) y el inductor de salida LP el cual funciona como una fuente de corriente para controlar la corriente de carga y lograr la compensación en ella.

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Capítulo 1. Introducción y revisión literaria

Figura 1.6 Configuración del circuito para un filtro activo tipo shunt.

1.3.2.3 Filtro activo compuesto

Cuando se presenta distorsión tanto en voltajes como en corrientes, la manera más eficiente de acondicionar una red es mediante la instalación de un filtro que tenga esta configuración. Dentro de esta clasificación de los filtros activos, esta es la variante más compleja y la menos usual. Los casos que presentan este tipo de distorsión (en voltajes y corrientes) son raros, pero además, requieren atención especial. 1.3.3

Filtros híbridos

Estos filtros combinan características de los tres filtros previamente comentados bajo una única configuración. Son de aplicación industrial y pueden operar en sistemas con potencias superiores a los 200 kVA. Ofrecen la ventaja de poder actuar sobre un rango de armónicos si el acondicionamiento tiene restricciones o límites. La principal ventaja es que mantienen un buen desempeño sobre un amplio rango de potencias. Es posible encontrar filtros de esta naturaleza. En la Figura 1.7 se presenta el diagrama de conexión para un circuito de este tipo [1-1]. En dicha figura se observa un filtro activo tipo shunt en combinación con un filtro pasivo, donde los elementos que componen a estos filtros se han descrito anteriormente en este capítulo.

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Capítulo 1. Introducción y revisión literaria

Figura 1.7 Configuración del circuito para un filtro hibrido.

1.4 Filtro Activo tipo Shunt El concepto de filtraje activo shunt se introdujo por primera vez por Gyugyi y Strycula en 1976 [1-2]. Sus controladores determinan en tiempo real la corriente de referencia de compensación, y obligan a un convertidor de energía a sintetizarlo con precisión. De este modo el filtraje activo puede ser selectivo y adaptativo. En otras palabras, un filtro activo tipo shunt puede compensar solo la corriente armónica de una carga no lineal seleccionada y puede realizar un seguimiento continuo de los cambios en su contenido armónico. Las corrientes armónicas se generan principalmente debido a la presencia de:  Las cargas no lineales.  Voltajes armónicos en el sistema de energía. La Figura 1.8 resume el concepto básico de filtrado activo shunt, donde se tiene que: = Componente de corriente fundamental de carga. = Corriente armónica de carga.

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Capítulo 1. Introducción y revisión literaria

= Fuente de corriente armónica. = Fuente de voltaje armónica. = Fuente de voltaje (fundamental). = Voltaje en la carga.

Una carga no lineal produce una componente de corriente fundamental ILF y una corriente armónica ILh desde el sistema de energía. La corriente armónica ISh es inducida por la fuente de voltaje armónica VSh. Un filtro activo tipo shunt puede compensar ambas corrientes armónicas ISh e ILh. Sin embargo, la función principal de un filtro activo tipo shunt es la compensación de la corriente armónica de carga ILh. Esto significa que el filtro activo limita la corriente armónica de carga en las terminales de la carga, dificultando su introducción en el sistema de energía. Por simplicidad, el sistema de energía es representado sólo por una impedancia equivalente XL en la Figura 1.8. Si la corriente armónica de carga ILh fluye a través del sistema de energía, produce una caída de voltaje armónica adicional igual a la XL*ILh que además degenera el voltaje en la terminal de carga VT.

Figura 1.8 Principio de compensación de corriente shunt.

El principio de compensación de corriente shunt mostrado en la Figura 1.8 es muy efectivo en la compensación de corrientes armónicas de carga. Sin embargo, un filtro activo tipo shunt que realiza este principio de compensación de corriente shunt debería también generar una corriente armónica adicional ISh, con el fin de mantener el voltaje sinusoidal en la terminal de la carga, que de acuerdo a la ley de voltaje de Kirchhoff, la ley

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Capítulo 1. Introducción y revisión literaria

de Ohm y la teoría de los circuitos es igual a VT = VSF – XL *ILF. La caída de voltaje armónica que aparece a través de la impedancia equivalente se hace igual a la fuente de voltaje armónico si VSh = XL * ISh, por ley de Ohm. En este caso, las componentes del voltaje armónico se anulan entre sí, de modo que el voltaje en las terminales VT se mantiene sinusoidal. El filtro activo tipo shunt puede ser correctamente controlado para presentar una característica de compensación selectiva. Es posible seleccionar qué corriente será compensada. Es decir, se puede compensar la fuente de corriente ISh y/o la corriente de carga ILh, o incluso un conjunto arbitrario seleccionado de componentes armónicos de ellas. La aparición de la corriente armónica ILh en la fuente de energía crea problemas como el aumento de perdidas en la potencia activa, sobretensiones, errores en la instrumentación, daños en los aislamientos, deterioros de dieléctricos, disminución de la vida útil de los equipos y pérdidas económicas debido a la disminución de productividad en el área de servicio; lo cual representa la importancia de su compensación. 1.4.1

Descripción general del Filtro Activo Shunt

Generalmente los filtros activos tipo shunt consisten en dos bloques distintos:  El convertidor PWM (procesamiento de potencia).  El controlador de filtro activo (procesamiento de señal). El convertidor Modulador de Ancho de Pulso (PWM, por sus siglas en Inglès Pulse Width Modulation) es responsable del procesamiento de la energía en la síntesis de la corriente de compensación que debería ser generada del sistema de energía. El controlador de filtro activo es responsable del procesamiento de la señal en la determinación en tiempo real de la corriente de referencia instantánea de compensación, la cual está continuamente pasando al convertidor PWM. La Figura 1.9 muestra la configuración básica de un filtro activo tipo shunt para la compensación de corriente armónica de una carga específica, donde:

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Capítulo 1. Introducción y revisión literaria

= Corriente de suministro. = Corriente de compensación. = Corriente de carga. V = Voltaje de carga. = Corriente de referencia de compensación. C = Capacitor de carga. L = Inductor del filtro de salida. El filtro activo tipo shunt de la Figura 1.9 se compone de un convertidor alimentado por voltaje por medio del capacitor de carga C, con un controlador PWM de corriente y un controlador de filtro activo que realiza un algoritmo de control casi instantáneo. El controlador de filtro activo tipo shunt funciona a manera de lazo cerrado continuamente sensando la corriente de carga iL y el voltaje de carga V, y calculando los valores instantáneos de la corriente de referencia de compensación i*C para el convertidor PWM. En un caso ideal, el convertidor PWM puede ser considerado como un amplificador de energía lineal, donde la corriente de compensación iC rastrea correctamente su referencia i*C.

Figura 1.9 Configuración básica de un filtro activo tipo shunt.

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Capítulo 1. Introducción y revisión literaria

1.5 Filtro activo tipo shunt propuesto La configuración utilizada para el diseño y construcción del prototipo, se observa en la Figura 1.10, ésta es una de las configuraciones más usuales para eliminar la distorsión armónica en las corrientes de línea de un suministro de energía. El diagrama propuesto se presenta a continuación.

Figura 1.10 Filtro activo tipo shunt propuesto.

El principio de funcionamiento, el sistema de sensado, acondicionamiento y protección, así como la descripción de los componentes que integran el diagrama de la Figura 1.10 se presentan con detalle en el siguiente capítulo. El filtro activo tipo shunt requiere de un sistema de control y por ende un sistema de sensado y protección, de manera que a continuación se presenta una breve revisión literaria acerca de los tipos de transductores y sistemas de protección contra fallas para convertidores de potencia, en particular para el filtro activo tipo shunt.

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Capítulo 1. Introducción y revisión literaria

1.6 Revisión literaria sobre transductores para convertidores de energía Un transductor es un dispositivo diseñado para recibir información de una magnitud del exterior y transformarla en otra magnitud, normalmente eléctrica que pueda ser manipulada y cuantificada. 1.6.1

Clasificación general de los transductores

Los transductores se clasifican en:  ACTIVOS. Los transductores activos generan la señal de salida sin la necesidad de una fuente de alimentación externa.  PASIVOS. Los pasivos requieren de una fuente de alimentación para poder efectuar su función. Según el tipo de señal que proveen a la salida:  DIGITALES. Estos transductores proporcionan una señal codificada en pulsos o sistemas como BCD, binario, etc.  ANALÓGICOS. Estos transductores proporcionan un valor de voltaje o corriente, donde la señal más común utilizada en aplicaciones industriales es un circuito de corriente de 2 hilos y 4-20 mA. 1.6.2

Tipos de transductores

Algunos tipos de transductores existentes se enlistan a continuación [1-10]:  De temperatura.  De esfuerzos y deformaciones.  De movimiento.  De Presencia o Proximidad.  De humedad y punto de rocío.  De nivel.  De presión.  De corriente.  De voltaje.

15

Capítulo 1. Introducción y revisión literaria

Como el proyecto involucra el sensado de la corriente y voltaje, a continuación se presentan de una manera breve las diferentes maneras de integrar estos transductores de acuerdo al principio de funcionamiento. 1.6.3

Transductores de voltaje

El transductor de voltaje es un dispositivo capaz de detectar la presencia de un voltaje eléctrico. Los transductores de voltaje generalmente se clasifican de acuerdo al principio que utilicen para la detección del mismo, de tal modo se tiene lo siguiente:  Transductor de voltaje por efecto Hall.  Transductor de voltaje utilizando un transformador (XFM).  Transductor de voltaje utilizando un divisor de tensión. 1.6.3.1 Efecto Hall En octubre de 1879, el Físico Edward Duntey Hall descubrió el efecto que lleva su nombre [1-3]. Hall encontró que si se aplica un campo magnético elevado a una fina lámina de oro por la que circula corriente, se produce un voltaje en la lámina transversalmente a como fluye la corriente, este voltaje se llama voltaje Hall. El esquema de la Figura 1.11 sirve para ilustrar el efecto, donde R representa la resistencia de la lámina de oro y B el voltaje inducido para la circulación de corriente. El voltaje producido es proporcional a la relación entre el valor del campo magnético y la magnitud de la corriente. Entonces podemos decir que el efecto Hall consiste en la aparición de un campo eléctrico en un conductor cuando es atravesado por un campo magnético. Cuando por un material conductor o semiconductor circula una corriente eléctrica y estando este mismo material en el seno de un campo magnético, se comprueba que aparece una fuerza magnética en los portadores de carga que los reagrupa dentro del material.

16

Capítulo 1. Introducción y revisión literaria

Figura 1.11 Efecto Hall.

1.6.3.2 Transformador

El transformador es una maquina eléctrica estática que permite partiendo de una tensión alterna conectada a su entrada (primario), obtener otra tensión alterna mayor, igual o menor que la anterior en la salida del mismo (secundario). Permite así proporcionar una tensión adecuada a las características de los receptores. En la Figura 1.12 se puede ver el principio de funcionamiento y sus características, donde Vp, Ip, y Np representan el voltaje, la corriente y el número de vueltas respectivamente en el lado primario del transformador y Vs, Is, y Ns representan los mismos valores pero del lado secundario del transformador.

Figura 1.12 Transformador.

17

Capítulo 1. Introducción y revisión literaria

1.6.3.3 Divisor de tensión

Un divisor de tensión es una configuración de circuito eléctrico que reparte el voltaje de una fuente entre una o más resistencias conectadas en serie. En la Figura 1.13 se ilustra el divisor de voltaje y su modelo, donde Vin es el voltaje de entrada, Vout el voltaje de salida, R1 y R2 son los resistores para realizar la división de voltaje. Una de las desventajas de utilizar este circuito como detector de tensión es que se implementa de manera invasiva en el sistema, de manera que puede provocar problemas en el funcionamiento.

Figura 1.13 Divisor de tensión.

1.6.4

Transductores de corriente

El Transductor de corriente es un dispositivo capaz de medir la presencia de corriente eléctrica. Una vez detectada dicha corriente, el transductor transforma la medida de corriente en una tensión; la cual es proporcional y representativa a la primera. De igual modo, los transductores de corriente se clasifican en:  Transductor de corriente por efecto Hall.  Transductor de corriente utilizando un resistor shunt. 1.6.4.1 Resistor shunt o paralelo

Es un resistor de valor constante relativamente pequeño, a través del cual se deriva una corriente eléctrica. Generalmente la resistencia shunt es utilizada para

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Capítulo 1. Introducción y revisión literaria

determinar la intensidad de corriente eléctrica que fluye a través de una trayectoria, esto mediante la medición de la diferencia de tensión o voltaje a través de ella, valiéndose de la ley de Ohm (I = V/R). En la Figura 1.14 se puede observar la conexión de este resistor Rsh y la corriente que circula por la rama Im, cabe mencionar que de igual manera tiene la desventaja de ser un método de medición invasiva, de modo que no es recomendable en aplicaciones de alta potencia.

Figura 1.14 Resistencia shunt.

1.7 Protección contra fallas Parte importante que debe ser considerada, es la protección para el filtro activo al estar conectado directamente al sistema trifásico de la red eléctrica a filtrar, de manera que esto debe dar seguridad al operar, de tal modo se han desarrollado métodos modernos de conmutación y circuitos de protección que permiten al prototipo funcionar correctamente ante diversas condiciones. Por lo cual en esta parte se revisará la protección del sistema. El filtro activo debe estar protegido contra:  Sobrevoltaje Las posibles causas pueden ser externas al circuito como: perturbaciones atmosféricas y conexiones o desconexiones de equipos en la red. También se pueden tener causas internas del circuito como lo son variaciones bruscas de corrientes.

19

Capítulo 1. Introducción y revisión literaria

Al ser un funcionamiento normal del prototipo, deberá evitarse que se superen los límites de tensión de acuerdo a la capacidad del filtro activo. Por lo tanto se limitará el efecto de las sobretensiones por medio de redes RC o dispositivos auxiliares limitadores de tensión.  Sobrecorriente Las posibles causas son por sobrecargas y cortos circuitos en el filtro. Al tratarse de un mal funcionamiento, debe detenerse la operación del sistema, esto se logra utilizando fusibles o bien interruptores.  Temperatura Las posibles causas son por el calentamiento de dispositivos de conmutación de alta frecuencia,

así como

de

elementos

electromagnéticos como inductores y

transformadores, o bien por una combinación de las causas descritas anteriormente. Se debe evaluar al sistema para tomar las medidas adecuadas.

1.8 Resumen de la revisión literaria En este capítulo se describió de manera breve las diferentes configuraciones de los filtros de potencia. Se mostró de manera general al filtro activo tipo shunt, el cual es de los más utilizados en aplicaciones de filtros de energía. Se presentaron los posibles transductores a utilizar para el filtro, así como la importancia de implementar un sistema de protección.

1.9 Planteamiento del problema En el Sistema de Transporte Colectivo (STC) se utilizan convertidores, transformadores de energía y diversas cargas no lineales. Así mismo estas cargas generan un alto contenido armónico y una baja calidad de energía eléctrica en el suministro, lo que ocasiona bajo aprovechamiento y distorsión de formas de onda en los circuitos eléctricos utilizados dañándolos considerablemente. Así

como también pérdidas económicas

considerables. Una forma de corregir la energía suministrada es mediante la utilización de un filtro de potencia que compense la distorsión en la corriente de suministro. Para lo

20

Capítulo 1. Introducción y revisión literaria

anterior es altamente necesario utilizar transductores y los dispositivos necesarios que apoyen al filtro activo tipo shunt el cual eleva la calidad de energía consumida por una carga no lineal.

1.10 Justificación Para dar solución a la problemática que ocurre en el STC, es necesario desarrollar un sistema de compensación de energía, el cual sea económico, eficiente y de fácil mantenimiento. Por lo cual, se diseñó un filtro activo tipo shunt pensando en la mejora de calidad de la energía de un armario de baja tensión de 3 kVA utilizado en una subestación de rectificación de la línea B del STC. La implementación de este filtro, de sus transductores, su sistema de acondicionamiento y su sistema de protección justifica el desarrollo del presente trabajo.

1.11 Objetivos

OBJETIVO GENERAL:  Diseñar y construir un sistema de sensado, acondicionamiento y protección para la operación de un filtro activo tipo shunt. OBJETIVOS PARTICULARES:  Sensar las señales de voltaje y corriente requeridas para el funcionamiento del filtro activo de forma segura y no invasiva.  Acondicionar las señales de voltaje y corriente proporcionadas por los sensores para poder ser enviadas al microprocesador y realizar el control o tareas requeridas.  Diseñar y construir los interruptores controlados para cargar los capacitores y para proteger al sistema de manera eficiente.  Generar el algoritmo de control para los interruptores necesarios.

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Capítulo 1. Introducción y revisión literaria

1.12 Descripción de la tesis En este trabajo de tesis se describe el diseño y construcción de un sistema de sensado, acondicionamiento y protección para un filtro activo de 2 kVA, el cual se desarrolló en el laboratorio de investigación en calidad y conversión de la energía eléctrica en conjunto con otros compañeros. En el Capítulo I se introduce al tema y se analiza la revisión literaria sobre los filtros de potencia, así como también se incluye una breve revisión literaria sobre transductores para convertidores de energía. En el Capítulo II se presenta de manera detallada el diagrama del filtro activo, los requisitos de habilitación y la secuencia de operación del mismo. Con lo anterior se justifica la importancia del sistema de sensado, acondicionamiento y protección, el cual es el tema principal de este trabajo. En el Capítulo III se detalla cada uno de los transductores utilizados, y también se hace el análisis a profundidad para el diseño de los circuitos del sistema de acondicionamiento de las señales y protección para el filtro activo. En el Capítulo IV se presenta la colocación de las tarjetas de circuito impreso en el prototipo, al igual que los resultados experimentales obtenidos dentro del laboratorio de investigación en calidad y conversión de la energía eléctrica. Finalmente en el Capitulo V se escriben las respectivas conclusiones de este trabajo de tesis y los trabajos futuros que se pretenden alcanzar.

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Capítulo 1. Introducción y revisión literaria

1.13 Referencias [1-1] Instantaneous Power Theory and Applications to Power Conditioning. Hirofumi Akagi, Edson Hirokazu Watanabe, Mauricio Aredes. Capítulo 5. [1-2] Instantaneous Power Theory and Applications to Power Conditioning. Hirofumi Akagi, Edson Hirokazu Watanabe, Mauricio Aredes. Capítulo 4. [1-3] Ramón Pallás Areny, “Sensores y acondicionadores de señal” Tercera edición, Ed. Alfaomega. [1-4] Cano Farrera, Alberto., “Predicción Numérica de Filtros Activos de Potencia usando un Esquema de Control de Corriente Predictivo”, Sección de Estudios de Posgrado e Investigación, ESIME Culhuacan, 2010. [1-5] L. Gyugyi and E. C. Strycula, “Active ac Power Filters,” in Proceedings of IEEE Industry Applications Annual Meeting, vol. 19-C, 1976, pp. 529-535. [1-6] M. Aredes, K. Heumann, E. H. Watanabe, and J. Häfner, “A Three-Phase Four-Wire Shunt Active Filter Using Six IGBT´s,” in COBEP´95---3rd Brazilian Power Electronics Conference, Dec. 1995, Säo Paulo SP, Brail, pp. 21-26. [1-7] H. Akagi, Y. Tsukamoto, and A. Nabae, “Analysis and Design of an Active Power Filter Using Quad-Series Voltage-Source PWM Converters for Harmonic Compensantion,” IEEE Transactions on Power Electronics, vol. 5, no. 1, Jan. 1990, pp. 9-15. [1-8] H. Akagi, “New Trends in Active Filters for Power Conditioning,” IEEE Transactions on Industrial Applications, vol. 32, no. 6, 1996, pp. 1312-1322. [1-9] C. A. Quinn, N. Mohan, and H. Mehta, “ A Four-Wire, Current-Controlled Converter Provides harmonics Neutralization in Three-Phase, Four-Wire Systems,” IEEE-APEC´93 Applications of Power Eletronics Conference, 1993, pp. 841- 846. [1-10] http://instrumentacionbustos.blogspot.mx

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CAPÍTULO 2. DESCRIPCIÓN Y HABILITACIÓN PRELIMINAR DEL FILTRO ACTIVO 2.1

Introducción En este capítulo se presenta una descripción del filtro activo tipo shunt.

Primeramente se detallan las etapas del prototipo y sus respectivas características. También se indican los requisitos de habilitación del filtro, como la carga de capacitores primordialmente y posteriormente la secuencia de operación del mismo. Finalmente se presenta una breve introducción a la teoría p-q y con esto se detalla la importancia de adquirir las señales de voltaje y corriente con una buena fidelidad.

2.2

Filtro activo dentro del diagrama eléctrico del STC La propuesta se centra en la instalación de un filtro activo a la salida del

transformador de baja tensión, con la seguridad de que esta medida mejorará la calidad de la energía de suministro sin alterar la red eléctrica y así evitar fallos en los sistemas electrónicos de control. En la Figura 2.1 se puede ver que el filtro activo se coloca entre la salida del transformador de baja tensión y la entrada del sistema de baja tensión [2-1].

Figura 2.1 Diagrama a bloques donde se incluye al filtro activo

24

Capítulo 2. Descripción y habilitación preliminar del filtro activo

2.3

Descripción del filtro activo De acuerdo a la teoría presentada anteriormente, se desarrolló un prototipo filtro

activo tipo shunt en el laboratorio de investigación en calidad y conversión de la energía eléctrica de la ESIME Culhuacan, el cual está diseñado para operar con los parámetros que se listan en la Tabla 2.1. Los parámetros se propusieron en base a los requerimientos de diseño. Tabla 2.1 Parámetros de diseño para el filtro activo tipo shunt.

Voltaje en el riel de CD

400 V

Voltaje de salida trifásico

127 V

Frecuencia de conmutación

21.6 kHz

Frecuencia de operación de salida

60 Hz

Potencia máxima de salida

2 kVA

El prototipo se conforma por tres etapas: la etapa de potencia, la etapa de control y la etapa de instrumentación, las cuales se describen a continuación. 2.1.1

Etapa de potencia

El convertidor de potencia utilizado para la implementación de un filtro activo tipo shunt es un convertidor fuente de voltaje con tres ramas inversoras o también llamados tótems. La etapa de potencia del prototipo está conformada por dos capacitores electrolíticos de 10000 µF y dos capacitores de polipropileno de 400 µF en paralelo con los electrolíticos los cuales se emplean para almacenar energía y posteriormente entregarla a la red de energía eléctrica para filtrar la distorsión armónica. Para los tres tótems del sistema trifásico, se utilizó un módulo de seis transistores bipolares de compuerta aislada (Insulated Gate Bipolar Transistor, IGBT) Infineon BSM100GD60DLC. Estos IGBT cuentan con diodos de recuperación rápida en antiparalelo. Para conectar el convertidor en paralelo con el sistema de energía es necesario colocar un filtro inductivo entre ambos

25

Capítulo 2. Descripción y habilitación preliminar del filtro activo

con el propósito de que el convertidor funcione como una fuente de corriente controlada permitiendo inyectar la corriente de compensación en el sistema de energía, para ello se usó un inductor de 5 mH para cada línea. Lo descrito anteriormente forma parte del filtro activo y su justificación fue hecha por el compañero Alberto Cano Farrera estudiante de maestría [2-1]. 2.1.2

Etapa de control

La etapa de control tiene por objetivo compensar las corrientes armónicas consumidas por una carga no lineal con el fin de lograr que la corriente entregada por la red sea senoidal pura y balanceada independientemente de la forma de onda de la tensión de la red. Para lograr esta parte es necesario que el filtro activo tipo shunt inyecte la corriente de compensación adecuada en el sistema de potencia. Las referencias de estas corrientes de compensación se obtienen mediante el uso de la teoría p-q. 2.1.2.1 Microcontrolador

La etapa de control está formada por un microcontrolador TMS320F28335 de la familia de Texas Instruments, por medio del kit programador eZdsp Starter Kid mostrado en la Figura 2.2. Se eligió este DSP por sus características como lo es su frecuencia de operación de 150 MHz, el convertidor analógico digital de 12 bits con 16 canales de entrada, los cuales son suficientes para adquirir las señales necesarias.

Figura 2.2 kit para el Microcontrolador.

26

Capítulo 2. Descripción y habilitación preliminar del filtro activo

2.1.2.2 Drivers

Durante la operación del filtro, los pulsos de control que genera el procesador digital son de 0 a 3.3 V, por lo cual es necesario acondicionar estos pulsos de disparo para los IGBTs (Transistores), para ello se utilizan drivers, en este proyecto se usaron los Drivers 2ED300C17-S de la familia INFINEON, los cuales se observan en la Figura 2.3, estos drivers fueron acondicionados por compañeros del grupo de electrónica de potencia.

Figura 2.3 Driver INFINEON.

2.1.3

Etapa de instrumentación

La etapa de instrumentación la conforman los transductores de voltaje y corriente, el circuito de acondicionamiento, los interruptores para la carga de capacitores y los interruptores de protección. La parte de sensado y acondicionamiento es de alta importancia, porque las señales obtenidas se utilizan en la retroalimentación del lazo cerrado de control y de igual manera se usan para el control de los interruptores tanto de carga de capacitores como los de protección. Los interruptores controlados también forman parte importante durante la operación del filtro, el cual se detalla en el siguiente apartado.

27

Capítulo 2. Descripción y habilitación preliminar del filtro activo

2.4

Habilitación preliminar del filtro activo Desde que se sentaron las bases para la generación de armónicos y dicha tarea se

volvió práctica desde los años 80´s, los filtros activos constituyen la mejor solución en términos de rendimiento y eficacia para la eliminación de la distorsión armónica, así como la corrección de factor de potencia, equilibrio de cargas y compensación de sus variaciones y regulación de voltaje. Su aplicación es factible en instalaciones que manejan potencias inferiores a los 200 kVA y en situaciones muy drásticas donde la distorsión de corriente debe ser reducida para evitar sobrecarga. Son capaces de compensar armónicos sobre un rango amplio de frecuencias y se adaptan a cualquier carga. Su capacidad de acondicionamiento está limitada básicamente por la potencia, siendo esta su principal desventaja. El principio de operación de un filtro activo se basa en la inserción de armónicos en fase opuesta que contrarresten los armónicos producidos por la carga, de manera que en el suministro se obtengan corrientes y voltajes en fase y puramente senoidales. Para este objetivo los filtros activos hacen uso de dispositivos electrónicos de potencia, como los puentes inversores. La Figura 2.4 ilustra la idea básica de compensación de corriente, donde iSa,b,c representan las corrientes de suministro de cada fase, iLa,b,c las corrientes de carga e iCa,b,c las corrientes de compensación. Se muestra una fuente alimentando una carga no lineal que está siendo compensada por un compensador shunt. Un tipo de compensador shunt es el filtro activo el cual fue presentado en el capítulo anterior. Por motivos de simplicidad, se asume que el compensador shunt se comporta como una fuente trifásica de corriente controlada que puede establecer arbitrariamente diferentes formas de onda, de preferencia las corrientes de referencia

,

28

y

.

Capítulo 2. Descripción y habilitación preliminar del filtro activo

Figura 2.4 Esquema de compensación de corriente.

Todas las características mencionadas hasta el momento, son las razones del enorme interés en esta configuración que ha sido estudiada en los últimos años, pero que hasta ahora se ha logrado desarrollar con mayor eficiencia gracias a los avances tecnológicos en dispositivos semiconductores 2.4.1 2.4.1.1

Requisitos de habilitación Carga de capacitores

La carga de capacitores es la primera etapa en la secuencia del filtro activo tipo shunt, la importancia de cargar los capacitores es porque se almacena energía en forma de voltaje, y posteriormente con ayuda del convertidor de potencia y su respectivo control, esta energía es entregada a la red de energía eléctrica para compensar la corriente de cada línea del sistema trifásico, esto se realiza en forma de corriente, por lo que se considera al filtro activo tipo shunt como una fuente de corriente idealmente controlable. La Figura 2.5 muestra justamente el voltaje en los capacitores durante el ciclo de carga compuesto por las etapas descritas en el análisis de simulación desarrollado por el compañero Alberto Cano Farrera estudiante de maestría [2-1].

29

Capítulo 2. Descripción y habilitación preliminar del filtro activo

Figura 2.5 Voltaje en el riel de CD durante el ciclo de carga.

2.4.2

Secuencia de operación del filtro

Una vez descritas las características del filtro, es de alta importancia conocer la secuencia de operación del mismo, de modo que en la Figura 2.6 se presenta con detalle el diagrama general del filtro activo tipo shunt propuesto, y con ello se detalla el principio y orden de funcionamiento.

Figura 2.6 Filtro activo tipo shunt propuesto.

30

Capítulo 2. Descripción y habilitación preliminar del filtro activo

A continuación se presenta la operación por etapas del filtro activo tipo shunt propuesto:  Inicialmente los interruptores de protección se encuentran cerrados y los interruptores localizados en paralelo con el resistor se encuentran abiertos, de tal manera que los resistores apoyan la carga de los capacitores.  Una vez concluida la carga de los capacitores, los interruptores de protección continúan cerrados y los interruptores del resistor se cierran para colocar al resistor en corto circuito y no contribuya posteriormente a la operación del filtro. Esto se realiza monitoreando el voltaje de los capacitores mediante los transductores de voltaje de CD.  Inmediatamente hecho lo anterior, los transductores de voltaje y corriente entregan al microprocesador las formas de onda requeridas para la operación del algoritmo de control y para controlar a los interruptores de protección.  El estado de los interruptores de protección depende de los niveles máximos tolerables en el diseño del filtro; si los niveles sensados sobrepasan a los de referencia, se evitan las señales de control, dejando en circuito abierto a la red de energía con el filtro activo, de esta manera se evita la transferencia de energía y se evitan daños al sistema.  Finalmente, si la operación es correcta, el filtro estará compensando la corriente de la fuente de energía sin ningún problema, y por consiguiente el sistema de sensado, acondicionamiento y protección habrá funcionado de manera exitosa, el cual es el tema principal de esta tesis. De esta manera se cumplen los objetivos planteados al inicio de este trabajo.

31

Capítulo 2. Descripción y habilitación preliminar del filtro activo

2.5

Breve introducción a la teoría p-q La teoría p-q está basada en la potencia instantánea definida en el dominio del

tiempo. No hay restricciones impuestas en las formas de onda de voltaje y corriente, y éstas pueden ser aplicadas para sistemas trifásicos con o sin una línea de neutro para generar formas de onda de voltaje y corriente trifásicos. Así, esto es válido no solo para el estado estable, sino también para el estado transitorio. Esta teoría es muy eficiente y flexible en diseños de controladores para convertidores

de energía basados en

dispositivos electrónicos de potencia. Otro concepto tradicional de potencia es caracterizado por tratar un sistema trifásico como tres circuitos de una fase. La teoría p-q primero transforma voltajes y corrientes de las coordenadas abc a αβ0, y entonces define la potencia instantánea en esas coordenadas. Por lo tanto, esta teoría siempre considera los sistemas trifásicos como una unidad, no una superposición o suma de tres circuitos de una sola fase [2-3].

2.6

Resumen En este capítulo se presentó la descripción general del filtro activo tipo shunt

desarrollado, del mismo modo se mostró la secuencia de operación del prototipo, así como las etapas que se consideran en el sistema. Como parte final se ilustra el esquema completo del trabajo propuesto para esta tesis, así como una breve introducción a la teoría p-q, para justificar la importancia del diseño del sistema de sensado, acondicionamiento y protección.

32

Capítulo 2. Descripción y habilitación preliminar del filtro activo

2.7

Referencias

[2-1] Cano Farrera, Alberto, “Predicción Numérica de Filtros Activos de Potencia usando un Esquema de Control de Corriente Predictivo”, Sección de Estudios de Posgrado e Investigación, ESIME Culhuacan, 2010. [2-2] Bautista Arias, Jose Luis, “ Diagnostico de calidad de la energía de la línea b del STC metro de la Ciudad de Mexico”, Sección de Estudios de Posgrado e Investigación, ESIME Culhuacan, 2012. [2-3] Instantaneous Power Theory and Applications to Power Conditioning. Hirofumi Akagi, Edson Hirokazu Watanabe, Mauricio Aredes. Capítulo 2. [2-4] S. Fryze, “Wirk-, Blind- und Scheinleistung in elektrischen Stromkreisen mit nichtsinusformigem Verlauf von Strom und Spannung,” ETZ-Arch. Elektrotech, vol. 53, 1932, pp. 596-599, 625-627, 700-702. [2-5] H. Akagi, Y. Kanazawa, and A. Nabae, “Principles and compensation effectiveness of a Instantaneous Reactive Power Compensator Devices,” in Meeting of the Power Semiconductor Converters Researchers – IEE – Japan, SPC-82-16, 1982. [2-6] H. Akagi, Y. Kanazawa, and A. Nabae, “Generalized Theory of Instantaneous Reactive Power and Its Applications,” Transactions of the IEE-Japan, Part B, vol. 103, no. 7, 1983, pp. 438-490. [2-7] H. Akagi, Y. Kanazawa, and A. Nabae, “Generalized Theory of the Instantaneous Reactive Power in Three-phase Circuits,” in IPEC´83 – International Power Electronics Conference, Tokyo, Japan, 1983, pp. 1375-1386. [2-8] H. Akagi, Y. Kanazawa, and A. Nabae, “Instantaneous Reactive Power Compensator Comprising Switching Devices Without Energy Store Components,” IEEE Trans. Ind. Appl., vol. IA-20, no. 3, 1984, pp. 625-630.

33

CAPÍTULO 3. DISEÑO DE SISTEMA DE SENSADO, ACONDICIONAMIENTO Y PROTECCIÓN 3.1

Introducción En este capítulo se describe el diseño de un sistema de sensado,

acondicionamiento y protección para un filtro activo de 2 kVA. Se presenta la importancia de acondicionar las formas de onda entregadas por un transductor. De acuerdo al diagrama propuesto en la Figura 2.6,

se requiere adquirir las señales de voltaje y

corriente, de modo que se detalla el transductor seleccionado y su acondicionamiento; posteriormente se ilustra el análisis y diseño de los interruptores para el control de la carga de los capacitores, y

finalmente se presenta el diseño de los interruptores

encargados de proteger al sistema.

3.2

Acondicionamiento de señales Difícilmente un diseñador conecta un transductor directamente a la parte de

procesamiento o de despliegue de un sistema, ya que la señal que envía el transductor por lo general es muy débil o contiene componentes que no deseamos, por eso realizamos etapas de acondicionamiento de señales, como se muestra en la Figura 3.1.

Figura 3.1 Diagrama a bloques para procesar una señal.

34

Capítulo 3. Diseño de sistema de sensado, acondicionamiento y protección

La señal de salida de un sistema de medición en general se debe procesar de una forma adecuada para la siguiente etapa de la operación. El acondicionamiento de una señal consiste en la manipulación electrónica de dicha señal, con los dispositivos necesarios para obtener rangos de voltaje o corrientes dentro de las características de diseño. El acondicionamiento de señales resulta conveniente al momento de realizar una instrumentación y además presenta menor inmunidad al ruido en el ambiente de la medición.

3.3

Capacitores de desacople Para el diseño de placas de circuito impreso, es importante el uso de capacitores

de desacople en los circuitos integrados. Sin estos capacitores, los dispositivos no tienen la energía impulsiva suficiente y el resultado final es la aparición de pulsos negativos en la tensión de alimentación, provocando ruidos internos y posibles malos comportamientos en los mismos. La ubicación óptima, debe ser aquella que presente la menor longitud de pistas entre el capacitor y el dispositivo asociado, esto es por la resistencia e inductancia serie de las pistas. Con pistas largas se limita la entrega instantánea de energía del capacitor al dispositivo. Algunos capacitores como los electrolíticos o de tantalio de 1 a 10 uF contienen una inductancia serie equivalente (ESL, por sus siglas en inglés Equivalent Series Inductance) y una resistencia serie equivalente (ESR, por sus siglas en inglés Equivalent Series Resistance) que debilita el efecto de desacoplo en frecuencias altas, pero son adecuados para reducir el rizo y ruido de baja frecuencia. Los capacitores cerámicos de disco de 0.1 uF tienen un buen comportamiento en frecuencias altas de hasta 2 MHz y su costo es bajo.

35

Capítulo 3. Diseño de sistema de sensado, acondicionamiento y protección

3.4

Transductor y acondicionador de voltaje de corriente alterna (CA)

3.4.1

Transductor de voltaje de CA

De acuerdo al principio de operación de un filtro activo, es necesario sensar las señales de voltaje en el suministro trifásico, por lo tanto se optó por utilizar un transformador como transductor. Un transformador es un dispositivo electromagnético estático que permite partiendo de una tensión alterna conectada a su entrada obtener otra tensión alterna mayor, igual o menor en su salida. Permiten así proporcionar una tensión adecuada para las características de los receptores. El modelo del transformador se presenta en la Figura 3.2 donde se puede ver la relación que se maneja en términos de su entrada y su salida; es decir, del lado primario NP y secundario NS respectivamente.

Figura 3.2 Modelo del transformador.

Una vez hecho un análisis de lo que se requiere para adquirir las señales de voltaje, se utilizaron transformadores con derivación central los cuales reducen un voltaje de 127 Vrms a 9 Vrms, esto se debe a que el suministro es un sistema trifásico de 4 hilos, y se necesita sensar el voltaje de fase que por lo general se maneja de 127 Vrms. Para lograr procesar estos valores de voltaje, se reduce a un voltaje adecuado, de modo que el nuevo valor pueda ser aplicado a dispositivos electrónicos y finalmente sea acondicionado.

36

Capítulo 3. Diseño de sistema de sensado, acondicionamiento y protección

3.4.2

Circuito de acondicionamiento para el transductor de voltaje de CA

La señal de voltaje de corriente alterna debe ser adquirida por un microprocesador, el voltaje de entrada del convertidor analógico digital (ADC) debe estar comprendida entre 0 y 3.3 V. Para trabajar las señales sin problemas, el voltaje pico-pico se calcula a 80% de 3.3 V con el propósito de no estar al límite del rango que soporta el microprocesador. Por lo tanto se tiene que: V Se calcula el nivel de referencia de la señal dividiendo entre dos el voltaje máximo permitido.

De acuerdo a las características mencionadas y los cálculos hechos anteriormente, la forma de onda requerida se muestra en la Figura 3.3.

Figura 3.3 Forma de onda de voltaje requerido.

37

Capítulo 3. Diseño de sistema de sensado, acondicionamiento y protección

En la Figura 3.3 se observan las características de la señal acondicionada, de modo que la señal entregada por el transformador en el secundario es enviada a un amplificador diferencial, para esto se utilizó el circuito integrado TL084, este circuito integrado contiene cuatro amplificadores operacionales y una de sus características importantes es el bajo nivel de offset en comparación con otros operacionales de uso común. El TL084 se alimenta con un voltaje de ±18 V. Parte importante es obtener las señales lo más fiel posible, por lo tanto se utilizaron capacitores de desacople de 47 uF electrolítico, 10 uF de tantalio y de 0.1 uF cerámico, para eliminar cualquier pico o transitorio de corriente en la fuente de alimentación, esto con el propósito de tener una correcta operación del circuito. En la Figura 3.4 se observa la configuración de un amplificador en modo diferencial, tomando como referencia que se requiere obtener una señal con las características que indica la Figura 3.3, se calculan los valores de los resistores de acuerdo a la ganancia necesaria.

Figura 3.4 Amplificador diferencial.

El amplificador operacional cumple con el siguiente modelo matemático:

38

Capítulo 3. Diseño de sistema de sensado, acondicionamiento y protección

En el amplificador diferencial se cumple que el voltaje de entrada es:

La ganancia en modo diferencial en términos de los resistores es:

La Figura 3.4 muestra la composición de un amplificador diferencial, el análisis teórico indica que para tener la mejor fidelidad en las señales procesadas se debe cumplir lo siguiente:

De acuerdo a una medición directa hecha en el laboratorio, el transformador entrega un valor de 10.8 Vrms, de modo que se calculó el voltaje pico como se indica a continuación:

El valor anterior es el voltaje de entrada en el amplificador diferencial, de tal forma que se calcula la ganancia correspondiente para acondicionar la señal a los niveles que se desean, de acuerdo a la Ecuación 3.1 se tiene lo siguiente:

De la Ecuación 3.3 se tiene que:

39

Capítulo 3. Diseño de sistema de sensado, acondicionamiento y protección

Se propone un valor de R1 = 56 kΩ y se procede a calcular el valor de R2: 4840.85 Ω ≈ 4.7 kΩ Como lo indica la Figura 3.3 es necesario un nivel de voltaje de offset de 1.65 V, por lo que se realizó un divisor de voltaje en la terminal no inversora del operacional con el propósito de sumar un voltaje de corriente directa de 1.65 V a la señal sinusoidal sensada por el transformador. En la Figura 3.5 se muestra el diagrama diseñado para acondicionar las formas de onda a los valores de voltaje necesarios.

Figura 3.5 Divisor de tensión en la terminal no inversora.

Para calcular el valor de R3, se considera un voltaje de 18 V para el divisor de voltaje que se encuentra en la terminal no inversora con respecto a referencia. Se requieren 1.65 V a la salida del amplificador diferencial, en el análisis hecho anteriormente se obtuvieron los niveles de voltaje y el valor de resistencia R B, se procede a calcular el valor de la resistencia R3 de la siguiente manera:

40

Capítulo 3. Diseño de sistema de sensado, acondicionamiento y protección

La ganancia para la entrada de 18 V es:

Por lo tanto:

De la ecuación 3.1 se obtiene lo siguiente:

Por ley de Ohm se calcula la corriente que circula por el divisor de tensión.

Ω Tomando en cuenta que el valor de resistencia obtenido no es un valor comercial, se propuso colocar una resistencia de 39 kΩ en serie con un potenciómetro de precisión de 20 kΩ, esto con el propósito de ajustar el valor de offset lo más exacto posible. El circuito final que sensa el voltaje de las tres fases, se basa en el análisis que se realizó anteriormente. Utilizando el software EAGLE 6.2 se diseñó el esquemático del circuito propuesto el cual se presenta en la Figura 3.6, donde se puede ver un amplificador operacional libre del circuito integrado TL084, dicho operacional se conectó a referencia y en una configuración de seguidor de voltaje, esto con el propósito de no dejar flotando las terminales de entrada del operacional, con el fin de que el circuito integrado tenga un mejor desempeño en ambientes de trabajo donde existen señales de ruido.

41

Capítulo 3. Diseño de sistema de sensado, acondicionamiento y protección

Figura 3.6 Esquemático del acondicionador de voltaje de CA.

3.5

Acondicionamiento del voltaje de corriente directa (CD) Para acondicionar el voltaje de corriente directa de los capacitores de carga del

filtro activo, se implementó un divisor de voltaje. En este circuito se reduce en una proporción equivalente al voltaje real sensado, posteriormente este voltaje es aplicado a un amplificador diferencial con el propósito de tener a la salida un voltaje representativo al primero reducido proporcionalmente. Se utilizó el amplificador operacional TL084, el diagrama propuesto para este acondicionador se muestra en la Figura 3.7, donde V± es el voltaje de entrada y VO-1 la señal de salida.

42

Capítulo 3. Diseño de sistema de sensado, acondicionamiento y protección

Figura 3.7 Divisor de voltaje con amplificador diferencial.

La ganancia del amplificador diferencial es la unidad, de modo que el valor de todos los resistores es de 10 kΩ, entonces se tiene que:

Durante la operación del filtro activo, se sensan tres diferentes voltajes de CD: dos niveles de 200 V y uno de 400 V, estos valores son los voltajes de los dos capacitores individualmente y la suma de los dos respectivamente. Estos niveles de voltaje deben estar comprendidos entre 0 y 3.3 V. Para calcular el valor de los resistores del divisor de voltaje se propuso lo siguiente:

Para el valor de 200 V, se calcula la corriente que circula por toda la rama del divisor de voltaje, para ello es necesario lo siguiente:

43

Capítulo 3. Diseño de sistema de sensado, acondicionamiento y protección

Conforme a lo anterior se calculan los voltajes de R3 Y R4 como sigue:

Con los datos obtenidos hasta el momento se calcula la corriente que circula por toda la rama del divisor de voltaje de la siguiente manera:

Una vez calculada la corriente se calcula el valor del resistor R5 mediante la ley de Ohm:

El valor de resistor anterior no es comercial, por lo tanto se optó por colocar un potenciómetro de precisión de 5 kΩ y de esta manera se ajustó el nivel requerido con mayor exactitud. Finalmente la señal acondicionada puede ser adquirida y procesada por el sistema digital. Como se ha mencionado es necesario acondicionar también 400 V de ambos capacitores, de modo que se hizo un nuevo cálculo para este voltaje:

Se calculan los voltajes en R3 Y R4 como sigue:

44

Capítulo 3. Diseño de sistema de sensado, acondicionamiento y protección

Con los datos obtenidos se calcula la corriente que circula por toda la rama del divisor de voltaje:

Finalmente por ley de Ohm se calcula el valor de R5:

De igual forma se colocó un potenciómetro de precisión de 5 kΩ y se ajustó al valor calculado. En la Figura 3.8 se presenta el esquemático del circuito electrónico diseñado el cual nos permite sensar y acondicionar los tres voltajes de CD de los capacitores del filtro activo. El circuito integrado se alimenta con ±15 V y de igual manera se colocaron capacitores de desacople para la fuente de alimentación. Para el diseño esquemático del circuito se utilizó como herramienta el Software EAGLE 6.2.

45

Capítulo 3. Diseño de sistema de sensado, acondicionamiento y protección

Figura 3.8 Acondicionador de voltaje de CD.

3.6

Uso del transductor LEM para mejorar la señal del voltaje de CD. La manera de sensar y acondicionar mediante el divisor de voltaje es una

herramienta muy útil y funciona bien hasta cierto punto. Sin embargo, hay diversas desventajas, una de ellas es la falta de aislamiento entre el transductor y la etapa de potencia, para solucionar este problema se pensó en utilizar optoacopladores los cuales son una opción de aislamiento. Al implementar un circuito muy sencillo utilizando el optoacoplador comercial 4N30, se encontró que su respuesta no es lineal, esto es, que la señal de salida no es proporcional a la señal de entrada, lo cual se verificó con un programa muy sencillo en Excel y se logró ver la curva que representa la respuesta del optoacoplador, Figura 3.9.

46

Capítulo 3. Diseño de sistema de sensado, acondicionamiento y protección

16

Voltaje de salida

14 12 10 8 6 4 2 0 0

50

100

150

200

250

300

350

Voltaje de la fuente

Figura 3.9 Respuesta del optoacoplador

Ciertamente existen optoacopladores con una mejor respuesta, pero el precio es un tanto considerable, de modo que se analizó la posibilidad de utilizar otro transductor con las características requeridas para sensar el voltaje de CD. La propuesta fue utilizar el transductor de voltaje de la empresa LEM con número de serie LV 25-P, el cual utiliza el efecto hall como principio de funcionamiento, cuya hoja de datos se puede ver en el APÉNDICE A. El esquemático para este sensor se presenta en la Figura 3.10, donde R1 representa el resistor para limitar la corriente de entrada, Rm el resistor de medición e IS la corriente que circula por el resistor de medición, M el voltaje de salida, Vi el voltaje de entrada y V el voltaje de alimentación.

Figura 3.10 Transductor LEM

47

Capítulo 3. Diseño de sistema de sensado, acondicionamiento y protección

Para calcular los valores de los resistores R1 Y Rm se consideran las características presentadas en la hoja de datos del transductor, de modo que se tiene lo siguiente:  Voltaje de entrada= 200 V.  Relación de conversión = 2500:1000.  Corriente nominal de entrada= 2 mA. Por ley de ohm se calcula el resistor:

De acuerdo a la relación de conversión, la corriente nominal de salida es:

Para Rm= 250 Ω se tiene que el voltaje de salida correspondiente para 200 volts es:

3.7

Transductor y acondicionador de corriente alterna (CA)

3.7.1

Transductor de CA

El transductor de corriente es un dispositivo capaz de medir la presencia de corriente eléctrica, una vez detectada la corriente el transductor transforma la medida de corriente en una tensión la cual es proporcional y representativa a la primera, el transductor envía esta señal representativa a su salida para su respectivo análisis. Para esta parte se utilizó un transductor de corriente de la empresa Honeywell de la serie CSNA111, el cual tiene la capacidad de sensar corriente alterna y corriente directa. Su principio de funcionamiento es el efecto Hall, cuya hoja de datos se presenta en el APÉNDICE A. Este transductor entrega un valor de voltaje representativo a la corriente que circula a través de él, y el voltaje que entrega por ampere puede ser ajustado por el valor de resistor conectado en la terminal de salida como lo indica la Figura 3.11, donde

48

Capítulo 3. Diseño de sistema de sensado, acondicionamiento y protección

Rm representa el resistor de medición, Is la corriente que circula a través del resistor, O/P la señal de voltaje de salida y las terminales positiva y negativa el voltaje de alimentación del mismo.

Figura 3.11 Terminales del sensor de corriente CSNA111.

3.7.2

Circuito de acondicionamiento para el transductor de CA

Como lo indica la Figura 3.3, se desea acondicionar las formas de onda de corriente, de modo que se colocó en Rm un potenciómetro de precisión de 1 kΩ, con el cual se varía la ganancia de volts por ampere del transductor de acuerdo a la hoja de datos. Para acondicionar la señal se utilizó el circuito integrado TL082 el cual contiene internamente dos amplificadores operacionales de un bajo nivel de offset. En este apartado el voltaje de la fuente de alimentación es de ±15 V, debido a que es el voltaje con el que se alimenta el sensor de corriente. En la Figura 3.12 se muestra la configuración que se utilizó para acondicionar la señal de corriente, de modo que a continuación se presenta el análisis para calcular los componentes del circuito.

49

Capítulo 3. Diseño de sistema de sensado, acondicionamiento y protección

Figura 3.12 Amplificador diferencial con voltaje de offset.

La corriente máxima a través del transductor es de 5 A, de modo que se ajustó el valor de Rm = 50 Ω, para obtener a la salida 50 mV por ampere, por lo tanto el voltaje máximo a la salida del transductor es de 250 mV, el cual representa la corriente máxima. La señal obtenida es llevada al amplificador diferencial mostrado en la Figura 3.12, y para acondicionar la señal a los niveles de diseño, se calcula lo siguiente: La terminal

de la Figura 3.12 corresponde a la señal de voltaje alterna entregada

por el transductor, de modo que se calcula la ganancia requerida de la Ecuación 3.1.

En un amplificador inversor se cumple que:

Se propone el valor de R1 = 10 kΩ y se procede a calcular el valor de R2:

50

Capítulo 3. Diseño de sistema de sensado, acondicionamiento y protección

Para montar la señal en un nivel de 1.65 V, se colocó un divisor de tensión en la terminal no inversora como indica la Figura 3.12. En la terminal alimentación del circuito de 15 V.

se utilizó el voltaje de

Tiene una ganancia distinta a la de

dada por:

Se necesitan 1.65 V a la salida, de acuerdo a la Ecuación 3.1 y 3.9:

El valor anterior es el voltaje requerido en la terminal no inversora para tener a la salida 1.65 V, por lo tanto se calculan los resistores por ley de Ohm: En primera instancia se propone que:

Se calcula la corriente que circula por toda la trayectoria del divisor de tensión:

Finalmente se calcula el valor de R4 por ley de Ohm, y se tiene que:

Con el propósito de verificar los cálculos hechos anteriormente, en la Figura 3.13 se puede ver el circuito equivalente del amplificador diferencial utilizado para este apartado, de manera que se realizó un análisis por ley de corriente de Kirchhoff.

51

Capítulo 3. Diseño de sistema de sensado, acondicionamiento y protección

Figura 3.13 Circuito equivalente del amplificador diferencial.

Usando ley de corriente de Kirchhoff en la dirección que fluye la corriente, la entrada no inversora V+ puede ser escrita de acuerdo a lo siguiente:

Despejando

se tiene que:

Resolviendo la rama del circuito de la terminal inversora de la forma que sigue:

Donde

es el voltaje de salida del circuito marcado en la Figura 3.13 como

Despejando el voltaje de salida se obtiene:

52

.

Capítulo 3. Diseño de sistema de sensado, acondicionamiento y protección

De acuerdo a las características del amplificador operacional a lazo cerrado, se cumple que de manera que se sustituye la Ecuación 3.13 en la expresión 3.17.

Finalmente se tiene la expresión del voltaje de salida en términos de la entrada:

Sustituyendo valores correspondientes en la Ecuación 3.19, se obtiene:

En la Figura 3.14 se presenta el esquemático del circuito electrónico diseñado para sensar la corriente en las tres fases del sistema trifásico, según la composición del diagrama general indicado en la Figura 1.10 del Capítulo I. De igual manera se utilizó como herramienta el Software EAGLE 6.2.

53

Capítulo 3. Diseño de sistema de sensado, acondicionamiento y protección

Figura 3.14 Esquemático del acondicionador de CA.

54

Capítulo 3. Diseño de sistema de sensado, acondicionamiento y protección

3.8

Señales de control e interruptores para carga de capacitores El principio de funcionamiento de un filtro activo, requiere de una etapa para

cargar los capacitores de voltaje de CD, para ello, es necesario colocar resistores en serie con los inductores de alta potencia para ayudar la carga de capacitores, una vez cargados los capacitores los resistores deben cortocircuitarse de modo que no influyan en la operación del filtro, de tal forma se colocaron interruptores en paralelo con los resistores para deshabilitar los resistores, estos interruptores son controlados mediante software por medio del microprocesador. En la Figura 3.15 se observa el circuito diseñado para esta etapa de operación.

Figura 3.15 Circuito de interruptores para el resistor de carga.

55

Capítulo 3. Diseño de sistema de sensado, acondicionamiento y protección

En la Figura 3.15, las terminantes de entrada (C-1, 2, 3, 4) son las señales de control entregadas por el microprocesador, el circuito integrado 4504N es un convertidor de TTL a CMOS, con el propósito de asegurar que el transistor TIP120

se active; el circuito

integrado 4504N es alimentado con 15 V en VDD Y 5 V en VCC, se colocaron capacitores de desacople para el circuito integrado. El relevador es alimentado con 24 V por medio de las terminales D, así mismo el relevador tiene conectado en paralelo un diodo de protección de alta velocidad NTE587. Las terminales R, S y T son la entrada y salida respectivamente de cada fase del sistema trifásico, y su estado depende del interruptor. A continuación se realiza el cálculo de RB del TIP120, considerando lo siguiente: IC = 20 mA

β = 1000

VCC = 24 V

VBB = 15 V

Se calcula la corriente de base de la siguiente manera:

De acuerdo a las leyes de Kirchhoff se calcula el resistor de base como sigue:

Despejando de la Ecuación 3.20 se tiene lo siguiente:

Sustituyendo valores correspondientes en 3.21:

56

Capítulo 3. Diseño de sistema de sensado, acondicionamiento y protección

3.9

Circuito de protección El prototipo es de una potencia considerada por lo que se requiere de un sistema

de protección para sobre impulsos o transitorios en la corriente o voltaje, o bien en algún corto circuito, de modo que para este sistema de protección del filtro activo se utilizaron interruptores controlados por medio de software a través del microprocesador utilizado para el algoritmo de control. Estos interruptores son similares a los de la Figura 3.15 y tienen la tarea de desconectar al prototipo de la fuente de energía filtrada si los niveles de diseño son incorrectos, es decir se realiza una rutina de comparación por software el cual envía las señales de activación a los interruptores. El circuito diseñado para cumplir esta etapa se muestra en la Figura 3.16.

Figura 3.16 Circuito de protección.

57

Capítulo 3. Diseño de sistema de sensado, acondicionamiento y protección

Las características de diseño y los cálculos son similares a los de la Figura 3.15, solo que en este circuito no se tienen resistores de carga en paralelo con el interruptor normalmente abierto del relevador. Igualmente en la Figura 3.16 se observa en las señales de control unos resistores de Pull Down, este resistor está conectado a referencia en una de sus terminales, con esto se evita que la terminal de entrada de control no se encuentre en un punto flotante cuando no se envía ninguna señal del microprocesador.

3.10 Resumen En este capítulo se presentó el diseño del sistema de sensado, acondicionamiento y protección para el filtro activo tipo shunt propuesto en capítulos anteriores. Se indica el transductor y los componentes utilizados de acuerdo a los requerimientos y el análisis matemático hecho para la implementación de cada circuito, así también se detalla la conformación del circuito y lo respectivos dispositivos electrónicos utilizados.

3.11 Referencias [3-1] Robert F. Coughlin, Frederick F. Driscoll, “Amplificadors operacionales y circuitos lineales”, Quinta Edición, Ed. Person Educación. [3-2] Arpad Barna Dan I. Porat, “Operational Amplifier”, Segunda edición, Ed. Wiley. [3-3] Julio Forcada G. “El Amplificador Operacional”, Ed. Alfaomega. [3-4] Ramón Pallás Areny, “Sensores y acondicionadores de señal”, tercera edición, Ed. Alfaomega. [3-5] http://www.ece101.com. [3-6] http://www.desi.iteso.mx. [3-7] http://www.inele.ufro.cl.

58

CAPÍTULO 4.

4.1

CONSTRUCCIÓN Y VERIFICACIÓN EXPERIMENTAL

Introducción En este capítulo se presenta la construcción y verificación experimental del sistema

diseñado. En primera instancia se incluye la importancia de utilizar planos de tierra en el diseño de PCBs. De igual manera se presenta el modelo físico de las placas de circuito impreso creadas a partir de los esquemáticos presentados en capítulos anteriores, así como también se describen los parámetros que se tomaron en cuenta para el diseño de los PCBs en cada tarjeta. Posteriormente, se describen los resultados que se lograron al experimentar con cada una de las tarjetas de circuito impreso y con el prototipo en conjunto, incluyéndose las formas de onda del voltaje y de las corrientes obtenidas. Finalmente se presenta el filtro activo conformado y las pruebas pertinentes.

4.2

Uso de planos de tierra en el diseño de PCBs Los planos de tierra son una de las formas primarias de minimizar ruido indeseado

y adquirido. Un apropiado uso de planos de tierra y cableado en combinación pueden resolver un alto porcentaje de todos los problemas de ruido. De modo que debe ser diseñado un buen sistema de tierra. Una ventaja de un sistema de tierra bien diseñado es que puede proveer protección contra interferencia y emisiones indeseadas, sin ningún costo adicional por unidad al producto. Una tierra es normalmente definida como un punto o plano equipotencial que sirve como un potencial de referencia para un circuito o sistema.

59

Capítulo 4. Construcción y verificación experimental

Cuando diferentes tipos de circuitos como analógicos de bajo nivel, digitales, ruido, etc, son usados en el mismo sistema o en la misma placa de circuito impreso cada uno debe estar conectado a tierra en una manera apropiada para ese tipo de circuito. Entonces los circuitos de tierras diferentes deberían ser unidos usualmente en un solo punto. En la Figura 4.1 se presenta un ejemplo del uso de planos de tierra para minimizar el ruido indeseado en altas frecuencias [4-1].

Figura 4.1 Plano de tierra es una buena elección para frecuencias cerca de 10 MHz, las impedancias son minimizadas.

Las conexiones entre cada circuito y el plano tierra deben mantenerse tan cerca como sea posible para minimizar su impedancia.

4.3

Transductor y acondicionador del voltaje de CA

4.3.1

Tarjeta de circuito impreso

En la Figura 4.2 se observa la placa de circuito impreso la cual sensa y acondiciona el voltaje de CA, se pueden ver los tres transformadores correspondientes para el sistema trifásico y el circuito acondicionador para estos niveles de voltaje. Esta tarjeta es de fibra de vidrio y con una capa de cobre por ambos lados. También se pueden ver los componentes seleccionados y calculados anteriormente.

60

Capítulo 4. Construcción y verificación experimental

Figura 4.2 Formas de onda del transductor y acondicionador del voltaje de CA.

La placa de circuito impreso de la Figura 4.2 no cuenta con un plano de tierra. En las primeras pruebas que se realizaron no se presentó ningún problema con algún ruido inducido, de modo que las formas de onda obtenidas fueron leídas por el microprocesador. 4.1.1

Formas de onda

Una vez construida la tarjeta presentada en la Figura 4.2, se verificó experimentalmente su funcionamiento. Para ello se utilizó una fuente trifásica California Instruments, la cual tiene la capacidad de ajustar el voltaje y la frecuencia a valores deseados por el usuario. De esta manera se ajustó un voltaje de 127 V a 60 Hz, se conectó su salida a los respectivos transformadores con el fin de verificar la amplitud y nivel de offset de la señal acondicionada. La lectura se realizó con un osciloscopio LeCroy de cuatro canales y de alta velocidad, los resultados se muestran en la Figura 4.3, donde se pueden ver las formas de onda del voltaje trifásico acondicionadas; la amplitud de las señales es de 2.64 V y el nivel de offset se ajustó mediante los potenciómetros de precisión a 1.65 V.

61

Capítulo 4. Construcción y verificación experimental

Figura 4.3 Formas de onda del voltaje de CA acondicionadas.

Con el propósito de verificar las formas de onda directamente en un convertidor, se operó el filtro activo en modo de inversor trifásico con una modulación PWM a una frecuencia de 7.2 kHz. En la Figura 4.4 se pueden ver las tres señales de voltaje con una amplitud de 0.75 V el cual está dentro de los rangos establecidos y un nivel de offset de 1.65 V, también puede observarse la frecuencia fundamental de 60 Hz en las tres fases.

Figura 4.4 Formas de onda del voltaje en modo inversor.

62

Capítulo 4. Construcción y verificación experimental

4.4

Transductor y acondicionador de CA

4.4.1

Tarjeta de circuito impreso

En la Figura 4.5 se observa la placa del circuito impreso la cual sensa y acondiciona la corriente alterna, se logran ver los circuitos integrados seleccionados y los resistores calculados en capítulos anteriores. Del mismo modo, en la Figura 4.6 se observa la parte de soldadura de esta tarjeta donde se localizan los tres transductores correspondientes para el sistema trifásico, esta tarjeta es de fibra de vidrio y cobrizada por ambos lados.

Figura 4.5 Transductor y acondicionador de la corriente alterna parte superior.

En esta tarjeta no se utilizó un plano de tierra, porque es uno de los primeros diseños y no se tenían problemas de ruido inducido en las señales, posteriormente se detallan algunos diseños con plano de tierra.

63

Capítulo 4. Construcción y verificación experimental

Figura 4.6 Transductores en la tarjeta parte inferior.

Con el propósito de aislar los dispositivos electrónicos que integran esta tarjeta, se acopló a ella una placa de baquelita. En la Figura 4.6 se observa la parte de soldadura completamente aislada, donde se localizan los transductores y también se logran ver los cables correspondientes a las tres fases de corriente de carga. 4.4.2

Formas de onda

Como primera prueba se realizó una comparación del transductor de CA con otro de tipo industrial Pearson Electronics modelo 3525, donde se usó como carga un motor. Se observó que las señales son semejantes, lo que indica que responde de manera correcta y es confiable. La Figura 4.7 muestra claramente la semejanza que hay entre la señal entregada por el transductor diseñado (superior) y el de tipo industrial Pearson Electronics modelo 3525 (inferior).

64

Capítulo 4. Construcción y verificación experimental

Figura 4.7 Forma de onda de corriente con transductor Honeywell (superior) y transductor Pearson (inferior).

Posteriormente se realizó una prueba experimental, donde se utilizó la fuente California Instruments a 127 V y 60 Hz y se conectó a la salida una carga resistiva en estrella de 50 Ω y 300 W de potencia, donde la corriente que circula por los transductores es de 2.54 A, las formas de onda obtenidas se presentan en la Figura 4.8.

Figura 4.8 Formas de onda de la corriente acondicionada.

65

Capítulo 4. Construcción y verificación experimental

En la Figura 4.8 se observan los valores leídos por el osciloscopio, donde la amplitud es de 2 V aproximadamente y el nivel de offset es de 1.65 V, dichos valores son adecuados para ser leídos por el microprocesador. Se observa también las formas de onda desfasadas 120° y la frecuencia de operación de 60 Hz. De igual manera se realizó una prueba con el convertidor inversor, en la Figura 4.8 se presentan las formas de onda de corriente para este convertidor con una carga idéntica a la usada en las pruebas de la Figura 4.8.

Figura 4.9 Formas de onda de la corriente en modo inversor.

En la Figura 4.9 se observan las formas de onda de corriente operando al filtro en modo de inversor, en la primera señal se puede ver que sus magnitudes son de 0.5 V y un nivel de offset de 1.65 V, adecuadas para poder trabajar con ellas. Las señales se muestran también con buena fidelidad y frecuencia fundamental de 60 Hz.

66

Capítulo 4. Construcción y verificación experimental

4.5

Transductor y acondicionador de corriente utilizando plano de tierra

4.5.1

Tarjetas de circuito impreso

Debido a problemas encontrados durante las pruebas realizadas con el filtro, como el ruido electromagnético dentro de las formas de onda de corriente, o bien sobreimpulsos encontrados en las señales sensadas, se pensó en realizar un nuevo diseño de PCB considerando un plano de tierra con el fin de evitar algún tipo de modo común o bien inductancias parásitas que ocasionan la contaminación de las formas de onda. De tal forma en este nuevo diseño se pensó en realizar un PCB individual para cada transductor y no los tres juntos como los anteriores. En la Figura 4.10 se presenta la tarjeta con plano de tierra en la cara de componentes, donde se localizan los dispositivos utilizados.

Figura 4.10 transductores de corriente con plano tierra.

En la Figura 4.10 pueden observarse tres tarjetas individuales para cada transductor, donde todo el plano de cobre corresponde al plano de tierra. Estas placas de

67

Capítulo 4. Construcción y verificación experimental

circuito impreso se acondicionaron a una placa de baquelita con fines de protección y aislamiento para los dispositivos electrónicos usados.

Figura 4.11 Transductores de corriente en la parte superior de las tarjetas.

En la Figura 4.11 se observa la parte de soldadura de las tarjetas acopladas a baquelita. Pueden verse los tres transductores y también se logran observar los cables correspondientes a las tres fases de la fuente de energía a filtrar. 4.5.2

Formas de onda

Se procedió a realizar las pruebas correspondientes para este diseño, de manera que se utilizó la misma fuente California Instruments a 127 V y 60 Hz y se conectó a la salida un carga resistiva en estrella de 50 Ω y 300 W de potencia, donde la corriente que circula por los transductores es de 2.54 A, las formas de onda obtenidas se presentan en la Figura 4.12.

68

Capítulo 4. Construcción y verificación experimental

Figura 4.12 formas de onda de corriente.

En la Figura 4.12 se tiene una amplitud de 1.2 V y un nivel de offset de 1.65 V leídos por el osciloscopio, y corresponden a niveles adecuados para ser leídos por el microprocesador. Se observa también el desfase de 120° y frecuencia de 60 Hz. La calidad de las señales en comparación con el diseño anterior, no se observan a simple vista, pero de acuerdo a la revisión literaria es un diseño con menor exposición al ruido de alta frecuencia. Continuando con las pruebas experimentales, también se realizó una prueba con el convertidor inversor, en la Figura 4.13 se presentan las formas de onda de corriente para este convertidor con una carga idéntica a la usada en las pruebas anteriores. En esta Figura se observan las formas de onda de corriente operando al filtro en modo de inversor, en las tres señales existen magnitudes que pueden ser procesadas, esto es, una amplitud de 0.3 V y nivel de offset 1.65 V. Finalmente las señales se muestran también con una buena fidelidad y frecuencia fundamental de 60 Hz.

69

Capítulo 4. Construcción y verificación experimental

Figura 4.13 Formas de onda de la corriente en modo inversor.

4.6

Transductor y acondicionador del voltaje de CD

4.6.1

Tarjeta de circuito impreso

En la Figura 4.14 se muestra la placa de circuito impreso del Transductor y acondicionador de voltaje de corriente directa, esta tarjeta sensa tres voltajes; dos de 200 V y uno más de 400 V, los cuales corresponden al voltaje de carga de los capacitores individualmente y la suma de ellos.

Figura 4.14 Transductor y acondicionador del voltaje de CD.

70

Capítulo 4. Construcción y verificación experimental

Para ajustar los voltajes sensados en los capacitores, se hizo una prueba con ayuda de una fuente de CD Agilent tecnologies, la cual proporciona hasta 300 V. Como puede observarse en la Figura 4.14 hay tres divisores de voltaje con su respectivo potenciómetro de precisión para ajustar el valor del resistor calculado en el capítulo anterior; por lo tanto, dos de ellos se ajustaron para que 200 V correspondan a 3.3 V, este valor es el voltaje máximo que puede ser llevado al ADC del microprocesador. El tercer divisor fue ajustado para que 400 V sean correspondientes a 3.3 V. Estas mediciones se realizaron con ayuda de un multímetro digital. 4.6.2

Tarjeta de circuito impreso utilizando el transductor LEM

En la Figura 4.15 se observa la tarjeta de circuito impreso diseñada para sensar los voltajes de CD de los capacitores del filtro, en este diseño el voltaje total de los capacitores se obtiene sumando el voltaje de cada capacitor y se realiza a nivel de software. Cabe mencionar que esta tarjeta se construyó con placa fenólica de doble cara y se consideró un plano de tierra para mejorar la calidad de las formas de onda.

Figura 4.15 Transductores LEM

71

Capítulo 4. Construcción y verificación experimental

En la Figura 4.15 se utilizaron conectores blancos, donde los cables son insertados a presión y han funcionado de la mejor manera en comparación con los conectores de tornillo usados anteriormente. Para el resistor de medición de 100 Ω, se utilizó un potenciómetro de precisión d 2 kΩ y se ajustó al valor deseado. La fuente de alimentación para los transductores es de ±15 V. Una vez concluido el ensamble de esta tarjeta se hicieron las pruebas pertinentes para verificar su correcta operación, para ello se utilizó la fuente de CD Agilent tecnologies a 200 V, y se obtuvieron buenos resultados, justificando los cálculos hechos en el Capítulo 3.

4.7

Tarjeta de circuito impreso para carga de capacitores En la Figura 4.16, se presenta la tarjeta diseñada para controlar la carga de los

capacitores, se observa el circuito integrado 4504N el cual funciona como buffer, los transistores para activar o desactivar a los respectivos relevadores y el resistor de 5.6 kΩ a 5 W para la carga de los capacitores, este resistor se encuentra en paralelo con el interruptor normalmente abierto del relevador; el diseño de esta tarjeta cuenta con un plano de tierra en la parte de componentes de la placa de circuito impreso.

Figura 4.16 Sistema de interruptores para carga de capacitores.

72

Capítulo 4. Construcción y verificación experimental

Las señales de control de los interruptores mostrados en la Figura 4.16, se generan a través de un programa en leguaje C, donde se hace una comparación de los niveles adquiridos con los niveles de referencia. La interrupción se genera de acuerdo al diagrama de flujo que se presenta en la Figura 4.17,

donde los estados dependen de las

características de diseño del filtro activo.

INICIO

QS OFF

RELEVADORRESISTOR ABIERTO

NO

E=VOLTAJE DE CARGA MAX.

SI

RELEVADORRESISTOR CERRADO

INTERRUPCIÓN

Figura 4.17 Diagrama de flujo para el control de interruptores de carga.

73

Capítulo 4. Construcción y verificación experimental

4.8

Tarjeta de circuito impreso para protección Como lo indica el diagrama general de la Figura 2.4, es necesario un sistema de

protección en la última etapa del filtro activo, las señales de control para este sistema son enviadas a través de un programa creado en lenguaje C, el cual estará comparando los niveles de voltaje y de corriente entregados por los sensores con niveles de referencia los cuales se proponen de acuerdo a las capacidades del prototipo. Si los niveles sensados están fuera del rango permitido se enviarán las señales para activar los interruptores de protección, los cuales pondrán en circuito abierto al filtro activo con el sistema trifásico de energía a filtrar. De este modo se estará protegiendo al prototipo de cualquier sobre impulso o transitorio de voltaje o corriente, o bien algún corto circuito. En la Figura 4.18 se observa la tarjeta diseñada para cumplir esta tarea.

Figura 4.18 Interruptores de protección.

Se puede ver la parte de componentes de la tarjeta, cabe mencionar que la tarjeta de esta Figura es de los mejores diseños, donde se consideraron ciertos problemas que se tuvieron en tarjetas anteriores, como por ejemplo el uso de conectores blancos, la posición y lugar de los componentes. De la misma manera se diseñó el PCB utilizando un

74

Capítulo 4. Construcción y verificación experimental

plano tierra, considerado de alta importancia para aplicaciones de electrónica de potencia. En la Figura 4.19 se presenta el diagrama de flujo para el control del sistema de protección.

INTERRUPCIÓN

QS ON

RELEVADOR-PROTECCIÓN CERRADO

NO

I>Ref_i ó V>Ref_v ó E>Ref_e SI

RELEVADOR-PROTECCIÓN ABIERTO

Figura 4.19 Diagrama de flujo para el control de los interruptores de protección.

75

Capítulo 4. Construcción y verificación experimental

4.9

Construcción del filtro activo tipo shunt Después de realizar pruebas en diversas versiones para la construcción del

prototipo, se llegó a la conclusión que era necesario encerrar los componentes de cada etapa, esto debido a que existe radiación electromagnética por la conmutación de los transistores y los dispositivos compatibles con esta radiación como los inductores. En experimentos anteriores se tenían en su mayor parte formas de onda de voltaje y corriente contaminadas con sobreimpulsos de alto valor y los planos de tierra utilizados en algunos diseños no fueron suficientes para evitar la contaminación de formas de onda. De tal manera que una vez hecho un análisis de lo ocurrido, se desarrollo una versión mejorada del prototipo como se muestra en la Figura 4.20. Este prototipo es la tercera versión, donde se considera la distribución y posición de los componentes una vez hecho un análisis en equipo. Se concluyó que para este tipo de proyectos el orden de los factores si altera el producto.

Capacitores

Drivers e IGBTs

Inductores

Interruptores de carga y protección

Voltaje de CD

Transductor de voltaje de CD

Transductor de voltaje de CA

Transductores de CA

Interfaz de µP con IGBTs e interruptores

Microprocesador (µP)

Interfaz de transductores con µP Figura 4.20 Filtro activo tipo shunt.

76

Capítulo 4. Construcción y verificación experimental

En la Figura 4.20 se muestra la distribución final de los componentes correspondientes a cada etapa del prototipo, puede verse la estructura de aluminio utilizada para aislar cada parte de las demás con la finalidad de mejorar el desempeño del filtro.

4.10 Pruebas finales Una vez terminada la construcción del prototipo, se iniciaron las pruebas pertinentes. En la Figura 4.21 se muestra el filtro activo en operación, se pueden observar las conexiones correspondientes de fuentes de alimentación requeridas, la interfaz con el microprocesador y la programación utilizada en tiempo real en la pantalla de la computadora. También se utilizó un osciloscopio para analizar las formas de onda resultantes. Cabe mencionar que se logró que el prototipo convergiera a un punto; sin embargo, falta mejorar el algoritmo de control predictivo seleccionado para enviar la combinación de activación de los drivers para los transistores (IGBTs).

Figura 4.21 Filtro activo en operación.

77

Capítulo 4. Construcción y verificación experimental

4.11 Resumen En este capítulo se presentó la construcción del sistema desarrollado, así como las respectivas pruebas experimentales para cada etapa de la secuencia de operación del filtro. Se describe la importancia de utilizar planos de tierra en el diseño de placas de circuito impreso para minimizar el ruido inducido. Finalmente se detalló el ensamble final del prototipo y las pruebas experimentales logradas hasta el momento.

4.12 Referencias [4-1] Henry W. Ott “Noise Reduction Techniques in Electronic System” Second Edition, Ed. Wiley. [4-2] Akagi H., Watanabe E. H., Aredes M. Instantaneous Power Theory and Applications to Power Conditioning (2007)(400s).

78

CAPÍTULO 5. 5.1

CONCLUSIONES

Conclusiones generales

Durante la realización de esta tesis, se presentó una clasificación general de los filtros de potencia; el filtro activo tipo shunt es de los más utilizados e implementados en problemas de distorsión armónica en las corrientes de línea de una red de energía eléctrica. Por otra parte puede verse la gran ventaja que se tiene al utilizar un filtro activo en problemas de este tipo, de modo que se presentó una descripción y habilitación del filtro diseñado, así como la importancia de la teoría p-q para su aplicación en compensación de corriente. De igual manera, este trabajo indica el diseño de acondicionadores de voltaje y corriente tanto de corriente alterna (CA) como de corriente directa (CD), los cuales fueron diseñados con un costo reducido en comparación con otros dispositivos con el mismo funcionamiento, como el transductor LEM, el cual fue utilizado para mejorar el sensado del voltaje de CD en los capacitores. Las placas de circuito impreso se diseñaron considerando la reducción de ruido mediante la utilización de planos de tierra. También se utilizaron potenciómetros de precisión para poder variar la ganancia del sensor si se requiere una medición distinta o bien amplificar las formas de onda. Finalmente se puede ver la importancia de acondicionar las señales para poder ser adquiridas y procesadas por algún sistema digital.

79

Capítulo 5. Conclusiones

Hay un gran beneficio al utilizar interruptores controlados a base de relevadores, esto cuando la corriente es considerable y hay poca conmutación en ellos. De modo que el microprocesador es el encargado de enviar las señales de control de acuerdo a los niveles de referencia propuestos en el sistema. Este diseño de interruptores se puede implementar sin problemas en el sistema de carga de capacitores y en el sistema de protección, obteniendo buenos resultados y logrando los objetivos planteados al inicio de este trabajo.

5.2

Trabajo futuro

Para trabajos futuros se pretende utilizar transductores LEM para los voltajes y corrientes de alterna, los cuales utilizan como principio de funcionamiento el efecto Hall, y tiene una mejor respuesta en calidad y proporción de las señales. Esto ayudaría a tener mejores resultados en el lazo cerrado de control de corriente, así como la disminución de errores en las señales adquiridas. Finalmente la utilización de transductores LEM aumentaría el costo monetario del proyecto pero con la ventaja de una mejor operación y rendimiento en el prototipo, en resumen un proceso con mayor fidelidad. Una de las desventajas de este sistema es el número de fuentes de voltaje de CD que se requieren para alimentar a los diferentes sensores y componentes que se utilizaron para cada placa de circuito impreso diseñado, de modo que se ha pensado en desarrollar una fuente que sea capaz de entregar los diferentes valores de voltaje necesarios mediante diferentes módulos de conversión de CD a CD, y de acuerdo a la energía que consume cada placa de circuito impreso, calcular la potencia total que debe soportar la fuente de energía.

80

ÍNDICE DE FIGURAS Figura 1.1 Formas de onda aplicando un filtro. .................................................................................. 4 Figura 1.2 Configuración del circuito para un filtro pasivo en serie. .................................................. 5 Figura 1.3 Configuración del circuito para un filtro pasivo tipo shunt................................................ 5 Figura 1.4 Configuración del circuito para un filtro pasivo compuesto. ............................................. 6 Figura 1.5 Configuración del circuito para un filtro activo en serie. ................................................... 8 Figura 1.6 Configuración del circuito para un filtro activo tipo shunt. ............................................... 9 Figura 1.7 Configuración del circuito para un filtro hibrido. ............................................................ 10 Figura 1.8 Principio de compensación de corriente shunt................................................................ 11 Figura 1.9 Configuración básica de un filtro activo tipo shunt. ........................................................ 13 Figura 1.10 Filtro activo tipo shunt propuesto.................................................................................. 14 Figura 1.11 Efecto Hall. ..................................................................................................................... 17 Figura 1.12 Transformador................................................................................................................ 17 Figura 1.13 Divisor de tensión. .......................................................................................................... 18 Figura 1.14 Resistencia shunt............................................................................................................ 19 Figura 2.1 Diagrama a bloques donde se incluye al filtro activo....................................................... 24 Figura 2.2 kit para el Microcontrolador. ........................................................................................... 26 Figura 2.3 Driver INFINEON. .............................................................................................................. 27 Figura 2.4 Esquema de compensación de corriente. ........................................................................ 29 Figura 2.5 Voltaje en el riel de CD durante el ciclo de carga. ............................................................ 30 Figura 2.6 Filtro activo tipo shunt propuesto.................................................................................... 30 Figura 3.1 Diagrama a bloques para procesar una señal. ................................................................. 34 Figura 3.2 Modelo del transformador. .............................................................................................. 36 Figura 3.3 Forma de onda de voltaje requerido................................................................................ 37 Figura 3.4 Amplificador diferencial. .................................................................................................. 38 Figura 3.5 Divisor de tensión en la terminal no inversora. ............................................................... 40 Figura 3.6 Esquemático del acondicionador de voltaje de CA. ........................................................ 42 Figura 3.7 Divisor de voltaje con amplificador diferencial. ............................................................... 43 Figura 3.8 Acondicionador de voltaje de CD. .................................................................................... 46 Figura 3.9 Respuesta del optoacoplador........................................................................................... 47 Figura 3.10 Transductor LEM ............................................................................................................ 47 Figura 3.11 Terminales del sensor de corriente CSNA111. ............................................................... 49 Figura 3.12 Amplificador diferencial con voltaje de offset. .............................................................. 50 Figura 3.13 Circuito equivalente del amplificador diferencial. ......................................................... 52 Figura 3.14 Esquemático del acondicionador de CA. ........................................................................ 54 Figura 3.15 Circuito de interruptores para el resistor de carga. ....................................................... 55

81

Figura 3.16 Circuito de protección. ................................................................................................... 57 Figura 4.1 Plano de tierra es una buena elección para frecuencias cerca de 10 MHz, las impedancias son minimizadas........................................................................................................... 60 Figura 4.2 Formas de onda del transductor y acondicionador del voltaje de CA. ............................ 61 Figura 4.3 Formas de onda del voltaje de CA acondicionadas. ......................................................... 62 Figura 4.4 Formas de onda del voltaje en modo inversor................................................................ 62 Figura 4.5 Transductor y acondicionador de la corriente alterna parte superior............................. 63 Figura 4.6 Transductores en la tarjeta parte inferior. ....................................................................... 64 Figura 4.7 Forma de onda de corriente con transductor Honeywell (superior) y transductor Pearson (inferior). ............................................................................................................................. 65 Figura 4.8 Formas de onda de la corriente acondicionada. .............................................................. 65 Figura 4.9 Formas de onda de la corriente en modo inversor. ......................................................... 66 Figura 4.10 transductores de corriente con plano tierra. ................................................................. 67 Figura 4.11 Transductores de corriente en la parte superior de las tarjetas. ................................... 68 Figura 4.12 formas de onda de corriente.......................................................................................... 69 Figura 4.13 Formas de onda de la corriente en modo inversor. ....................................................... 70 Figura 4.14 Transductor y acondicionador del voltaje de CD. .......................................................... 70 Figura 4.15 Transductores LEM ......................................................................................................... 71 Figura 4.16 Sistema de interruptores para carga de capacitores. .................................................... 72 Figura 4.17 Diagrama de flujo para el control de interruptores de carga. ....................................... 73 Figura 4.18 Interruptores de protección. .......................................................................................... 74 Figura 4.19 Diagrama de flujo para el control de los interruptores de protección. ......................... 75 Figura 4.20 Filtro activo tipo shunt. .................................................................................................. 76 Figura 4.21 Filtro activo en operación............................................................................................... 77

82

GLOSARIO Carga no lineal: Es aquella que no se puede modelar solo con una impedancia, es más la corriente demandada a un suministro sinusoidal de voltaje será distorsionado. Esta corriente contendrá componentes armónicos que están en función del comportamiento de la carga. Componente fundamental: También denominada primera armónica, es la frecuencia más baja de una forma de onda de voltaje o corriente. Componentes armónicas: Son corrientes o tensiones cuya frecuencia son múltiplos enteros de la frecuencia fundamental de la fuente de energía. Por ejemplo si la frecuencia fundamental es de 60 Hz, la segunda armónica tendrá una frecuencia de 120 Hz, la tercera armónica de 180 Hz y así sucesivamente. Distorsión armónica: Es cuando la forma de onda de voltaje o corriente medida en cualquier punto de un sistema eléctrico tiene deformaciones con relación a la forma de onda sinusoidal (fundamental) que idealmente deberíamos encontrar, es provocado por las cargas no lineales. PWM: Modulador de ancho de pulso. Sensor: Dispositivo formado por células sensibles que detecta variaciones en un magnitud física. Transductor: Dispositivo formado por células sensibles que detecta variaciones en un magnitud física y las convierte en señales útiles para un sistema de medida o control. Volt (V): Unidad de medida de la tensión eléctrica. Ampere (A): Unidad de medida de la corriente eléctrica.

83

Ohm (Ω): Unidad de medida de la resistencia eléctrica. Watt (W): Unidad de medida de la potencia eléctrica. CA: Corriente Alterna. CD: Corriente Directa. Driver: Propulsor, controlador o excitador de compuerta.

84

APÉNDICE A Hojas de datos de componentes utilizados

85

Apéndice A

86

Apéndice A

87

Apéndice A

88

Apéndice A

89

Apéndice A

90

Apéndice A

91

Apéndice A

92

APÉNDICE B PCBs para las diferentes placas de circuito impreso

Sensor de voltaje CA cara inferior.

Sensor de voltaje de CA cara superior.

93

Apéndice B

Sensor de CA cara inferior.

Sensor de CA cara superior.

94

Apéndice B

Sensor de CA con plano de tierra cara inferior.

Sensor de CA con plano de tierra cara superior.

95

Apéndice B

Sensor de voltaje de CD cara inferior.

96

Apéndice B

Interruptores para protección cara inferior.

Interruptores para protección cara superior.

97

Apéndice B

Sensor LEM para el voltaje de CD.

Sensor LEM para el voltaje de CD.

98

APÉNDICE C Tablas de componentes y precios

Tabla de componentes y precios para el sensor de voltaje de corriente alterna Componente Transformador de 127:9 Volts Culcas de tres vías Culca de dos vías Capacitores electrolíticos de 47 uF Capacitores de tantalio de 10 uF Capacitores cerámicos de 0.1 uF Circuito integrado TL084 y base Resistor de 56 kΩ Resistor de 4.7 kΩ Resistor de 39 kΩ Potenciómetro de precisión de 20 kΩ Placa fenólica doble cara de 10x10 cm

Cantidad 3 4 2 2 2 4 1 6 6 3 3 1

Transductor LEM LV 25-P

3

Precio $59 x 3 = $177 $5 x 4 = $20 $4 x 2 = $8 $4 x 2 = $8 $5 x 2 = $10 $2 x 4 = $8 $20 X 1 = $15 $0.2 x 6 = $1.20 $0.2 x 6 = $1.20 $0.2 x 3 = $0.60 $20 x 3 = $60 $18 x 1 = $18 TOTAL = $327 $1086.28 x 3 = $3258.84 TOTAL = $3408.84

Tabla de componentes y precios para el sensor de corriente alterna Componente Transductor de corriente CSNA111 Circuito integrado TL082 Capacitores electrolíticos de 47 uF Capacitores cerámicos de 0.1 uF Resistor de 56 kΩ Resistor de 10 kΩ Resistor de 68 kΩ Resistor de 1.2 kΩ Potenciómetro de precisión de 1 kΩ Culcas de tres vías Placa fenólica doble cara de 15x10 cm

Cantidad 3 3 2 4 3 3 3 3 3 6 1

Transductor LEM LAH 25-NP

3

99

Precio $531.72 x 3 = $1595.18 $10 x 3 = $30 $4 x 2 = $8 $2 x 4 = $8 $0.2 x 3 = $0.60 $0.2 x 3 = $0.60 $0.2 x 3 = $0.60 $0.2 x 3 = $0.60 $20 x 3 = $60 $5 x 6 = $30 $25 x 1 = $25 TOTAL = $1758.58 $308.22 x 3 = $924.67

Apéndice C

TOTAL = $1088.072

Tabla de componentes y precios para el sensor de voltaje de corriente directa Componente Transductor LEM LV 25-P Resistor de 100 kΩ 2 Watts Potenciómetro de precisión de 1 kΩ Capacitores electrolíticos de 47 uF Capacitores cerámicos de 0.1 uF Conector 3 pines Conector 2 pines Placa fenólica doble cara de 10x10 cm

Cantidad 2 2 2 2 4 2 1 1

Precio $1086.28 x 2 = $2172.56 $2 x 2 = $4 $20 x 2 = $40 $4 x 2 = $8 $2 x 4 = $8 $6 x 2 = $20 $6 x 1 = $6 $18 x 1 = $18 TOTAL = 2276.56

Tabla de componentes y precios para interruptores de protección y carga de capacitores Componente Relevador G8P-1C4P 24DC Transistor TIP120 Circuito integrado CD4504 Diodo NTE587 Resistor de 22 kΩ Resistor de 10 kΩ Capacitores cerámicos de 0.1 uF Conector 4 pines Conector 3 pines Conector 2 pines Placa fenólica doble cara de 10x10 cm

Cantidad 3 3 1 3 3 3 2 1 1 1 1

Resistor de carga de 5.6 kΩ 5 Watts

3

100

Precio $37.42 x 3 = $112.26 $10 x 3 = $30 $11 x 1 = $11 $15 x 3 = $45 $0.2 x 3 = $0.6 $0.2 x 3 = $0.6 $2 x 2 = $4 $6 x 1 = $6 $6 x 1 = $6 $6 x 1 = $6 $18 x 1 = $18 TOTAL= $239.46 $6 x 3 = $18 TOTAL = $257.46