d iseÑo y anÁlisis de desempeÑo de un inversor de voltaje utilizando controladores inteligentes...

DISEÑO Y ANÁLISIS DE DESEMPEÑO DE UN INVERSOR

DE VOLTAJE UTILIZANDO CONTROLADORES

INTELIGENTES

Juan Salazar

ESCUELA POLITÉCNICA DEL EJÉRCITO

DEPARTAMENTO DE ELÉCTRICA Y ELECTRÓNICA

2012

CONTENIDO

INTRODUCCIÓN

DISEÑO INVERSOR MONOFÁSICO SPWM

DISEÑO DE CONTROLADORES

RESULTADOS

CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

INTRODUCCIÓN

Un inversor de tensión es un equipo que convierte la

energía almacenada o

producida en DC, en corriente

alterna

Los inversores no son capaces de proporcionar un

voltaje sinusoidal puro.

Se requiere de una estrategia de

control que permita entregar a la carga voltaje sin componentes

armónicas

Los sistemas inteligentes, permiten el control de sistemas no lineales como es el caso de los equipos de potencia

OBJETIVOS

Diseñar un controlador inteligente, para un inversor de tensión monofásico, utilizando las herramientas del software MATLAB, a fin de analizar su desempeño frente a condiciones de carga lineal y no lineal.

OBJETIVO GENERAL

OBJETIVOS ESPECÍFICOS

Modelar un inversor de tensión monofásico utilizando las herramientas del software MATLAB.

Diseñar un controlador inteligente basado en redes neuronales para el inversor de tensión monofásico.

Diseñar un controlador lógico difuso para el inversor de tensión monofásico

Determinar el desempeño del inversor, utilizando los controladores inteligentes, difuso y por redes neuronales

CONTENIDO

INTRODUCCIÓN

DISEÑO INVERSOR MONOFÁSICO SPWM

DISEÑO DE CONTROLADORES

RESULTADOS

CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

El inversor monofásico propuesto consta de tres etapas:

Generador PWM Etapa de potencia Filtro

+-

INVERSOR PUENTE COMPLETO

Generador PWM

Señal de conmutación

Onda Portadora

Etapa de Potencia Etapa de Filtrado

Etapa de Modulación

PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO INVERSOR MONOFÁSICO PUENTE COMPLETO SPWM

GENERADOR PWM

Onda Portadora

Onda de Referencia

Salida PWM

-

El generador PWM es el encargado de entregar la señal de conmutación a los dispositivos semiconductores de potenciaPara la generación de pulsos se utiliza la modulación SPWM la cual consiste en comparar una onda senoidal de referencia con una onda portadora triangular de alta frecuencia.

MODULACIÓN SPWM

Los parámetros que caracterizan a la modulación senoidal por ancho de pulso son el índice de modulación en frecuencia y amplitud

𝑚𝑎=𝑈𝑚

𝑈𝑐

=1

𝑚𝑓=𝑓 𝑐𝑓 𝑚

=100

Índice de modulación en amplitud

Índice de modulación en frecuencia

V

ETAPA DE POTENCIA

La etapa de potencia consta de los dispositivos semiconductores de conmutación, en este caso se modeló un sistema de conversión DC/AC tipo puente completo.

Vsa bCARGA

ETAPA DE POTENCIA

Vsa bCARGA

𝑣𝑎=¿𝑣𝑏=¿

𝑣𝑐=(𝑣¿¿𝑎−𝑣𝑏)¿

Onda Portadora

Onda de Referencia

Salida PWM

-

FILTRO

Para obtener una forma de onda sinusoidal pura. Se necesitan filtros, generalmente LC pasa-bajos que eliminan las componentes armónicas que se presentan en bandas laterales a la frecuencia de la onda portadora.

PARÁMETROS INVERSOR

Parámetro Valor Unidad

Frecuencia de Conmutación, fc 6 KHz

Tensión nominal de salida 48

Frecuencia nominal de salida 60 Hz

Inductancia del filtro, Lf 200

Resistencia del inductor, Rf 0.02

Capacitor del filtro, Cf 50

PARÁMETRO DE CALIDAD

DISTORSIÓN ARMÓNICA TOTAL

Toma en cuenta el valor eficaz de todas las armónicas presentes, respecto de la fundamental.

CARGA NO LINEAL

Para la medición de eficiencia del inversor bajo condiciones de carga crítica se diseñó un sistema no lineal el cual consta de un rectificador acompañado de cargas resistivas, capacitivas e inductivas

𝑖𝑑= 0𝑢𝑑<0.7𝑢𝑑−0.7

𝑅𝑜

𝑢𝑑≥0.7

MODELO MATEMÁTICO DEL INVERSOR EN SIMULINK

CONTENIDO

INTRODUCCIÓN

DISEÑO INVERSOR MONOFÁSICO SPWM

DISEÑO DE CONTROLADORES

RESULTADOS

CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

CONTROL PI

El controlador PI sirve como modelo de referencia para la construcción de los controladores inteligentes.

+-- +-

INVERSOR

+++-

Variable Manipulada: Onda moduladoraVariable controlada: Tensión de Salida

CONTROL PI

El controlador PI actúa sobre la onda de referencia u onda moduladora modificando el índice de modulación para compensar las corrientes armónicas que trabajan en los múltiplos de la frecuencia portadora de 6KHz.

Ganancia Valor45603500

MODELO SIMULINK CONTROL PI

CONTROL POR RNA

El controlador PI se utilizó como modelo de referencia para la obtención de los parámetros de entrenamiento de la red neuronal.

Las entradas utilizadas son las siguientes:

Corriente de capacitor Corriente de carga Tensión de salida Error entre tensión de salida y tensión de

referencia

La salida de la red neuronal actúa como señal moduladora compensada para la reducción de armónicos

+-

INVERSOR PUENTE COMPLETO

Generador PWM

Señal de conmutación

Onda Portadora

+-

PASOS PARA LA ELABORACIÓN DEL CONTROLADOR NEURONAL

• Construir el controlador PI. • Para cada condición de carga, recolectar la salida de

tensión, corriente de carga, y corriente de capacitor como entradas de la RNA, y la señal de compensación como salida

• Seleccionar una estructura de red neuronal que sea simple y además suficiente para el control adecuado del inversor

• Entrenar la red neuronal y generar el controlador

MODELO SIMULINK CONTROLADOR RNA

CONTROLADOR DIFUSO

El controlador difuso suprime armónicos del inversor modificando la señal moduladora

El controlador difuso diseñado actúa como controlador PD utilizando las variables de entrada:

Error (V) Cambio de error (V/S)

Error(V) ∆error(V/S)

Salida

Mínimo -0.5097 -5825 -200

Máximo 0.5710 5963 200

BASE DE REGLAS CONTROLADOR DIFUSO

Error

∆error

GN PN Z PP GP

GN GN GN GN PN Z

PN GN GN PN Z PP

Z GN PN Z PP GP

PP PN Z PP GP GP

GP Z PP GP GP GP

MODELO SIMULINK CONTROLADOR DIFUSO

CONTENIDO

INTRODUCCIÓN

DISEÑO INVERSOR MONOFÁSICO SPWM

DISEÑO DE CONTROLADORES

RESULTADOS

CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

INVERSOR MODELO MATEMÁTICO SIN CONTROLADOR

CARGA RESISTIVA 40Ω

THD: 1.59%

CARGA NO LINEAL

THD: 4.38%

INVERSOR MODELO MATEMÁTICO CONTROL PI

CARGA NO LINEAL

THD: 0.24%

CARGA RESISTIVA 40Ω

THD: 0.11%

INVERSOR MODELO MATEMÁTICO CONTROL RNA

CARGA RESISTIVA 40Ω

THD: 0.08%

CARGA NO LINEAL

THD: 0.085%

INVERSOR MODELO MATEMÁTICO CONTROL DIFUSO

CARGA NO LINEAL

THD: 0.085%

CARGA RESISTIVA 40Ω

THD: 0.067%

RESUMEN RESULTADOS MODELO MATEMÁTICO CARGA LINEAL

Tipo de Carga

Impedancia THD% Sin

Control

THD%PI

THD%

RNA

THD%

FLC

R 40 Ω 1.59 0.11 0.08 0.08

RL

40 Ω-0.1mH 1.58 0.28 0.07 0.0740 Ω-1mH 1.42 0.25 0.10 0.09

40 Ω-10mH 1.30 1.13 1.08 1.08

RC

40 Ω-10uF 1.43 0.21 0.10 0.0940 Ω-100uF 0.96 0.33 0.11 0.10

40 Ω-1000uF

1.01 0.26 0.10 0.09

RESUMEN RESULTADOS MODELO MATEMÁTICO CARGA NO LINEAL

Tipo de Carga

Impedancia

THD% Sin

Control

THD%PI

THD%

RNA

THD%

FLC

R 40 Ω 4.38 0.24 0.06 0.09RL 40 Ω-0.1mH 4.37 0.17 0.08 0.07

40 Ω-1mH 4.37 0.19 0.06 0.0840 Ω-10mH 4.51 0.17 0.06 0.08

RC

40 Ω-10uF 3.87 0.07 0.05 0.0740 Ω-100uF 4.77 0.09 0.07 0.09

40 Ω-1000uF

4.85 0.10 0.07 0.08

INVERSOR MODELO TRANSISTOR SIN CONTROLADOR

CARGA NO LINEAL

THD: 25%

CARGA RESISTIVA 40Ω

THD: 2%

INVERSOR MODELO TRANSISTOR CONTROL PI

CARGA NO LINEAL

THD: 2.04%

CARGA RESISTIVA 40Ω

THD: %0.06

INVERSOR MODELO TRANSISTOR CONTROL RNA

CARGA NO LINEAL

THD: 1.11%

CARGA RESISTIVA 40Ω

THD: 0.13%

INVERSOR MODELO TRANSISTOR CONTROL DIFUSO

CARGA NO LINEAL

THD: 0.30%

CARGA RESISTIVA 40Ω

THD: %0.05

RESUMEN RESULTADOS MODELO TRANSISTOR CARGA LINEAL

Tipo de Carga

Impedancia THD% Sin

Control

THD% PI

THD%

RNA

THD%

FLC

R 40 Ω 1.27 0.06 0.13 0.05RL 40 Ω-0.1mH 1.27 0.06 0.07 0.05

40 Ω-1mH 1.28 0.07 0.29 0.0540 Ω-10mH 1.61 0.07 0.08 0.05

RC

40 Ω-10uF 1.30 0.06 0.06 0.0740 Ω-100uF 1.27 0.06 0.07 0.07

40 Ω-1000uF 1.27 0.06 0.07 0.07

RESUMEN RESULTADOS MODELO TRANSISTOR CARGA NO LINEAL

Tipo de Carga

Impedancia THD% Sin

Control

THD% PI

THD% RNA

THD%

FLC

R 40 Ω 24.22 2.04 1.11 0.30RL 40 Ω-0.1mH 24.22 1.95 1.14 0.30

40 Ω-1mH 24.22 1.94 1.14 0.3040 Ω-10mH 24.23 1.65 1.15 0.30

RC

40 Ω-10uF 24.50 1.78 1.04 0.0640 Ω-100uF 24.35 1.74 1.02 0.27

40 Ω-1000uF 24.24 1.69 1.05 0.30

RESPUESTA TEMPORAL

Sin Controlador

Control PI

RESPUESTA TEMPORAL

Controlador Neuronal

Control Difuso

CONTENIDO

INTRODUCCIÓN

DISEÑO INVERSOR MONOFÁSICO SPWM

DISEÑO DE CONTROLADORES

RESULTADOS

CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

CONCLUSIONES

El control de un inversor, con modulación SPWM, se realiza variando la onda moduladora. Lo cual compensa el ancho de pulso ante perturbaciones como corrientes armónicas o cambios de carga.

El controlador PI diseñado es utilizado como

modelo de referencia para para el diseño de los controladores inteligentes, principalmente para la obtención de patrones de entrenamiento del controlador neuronal.

CONCLUSIONES

El controlador neuronal imita el comportamiento del controlador PI, sin embargo tiene la capacidad de trabajar con cargas para las que no fue diseñado y controlar sistemas no lineales de forma eficiente.

Con controlador PD difuso se obtuvo el mejor desempeño para la reducción de la distorsión armónica total tanto para sistemas con carga lineal como para cargas no lineales, sin embargo debido a la precisión que posee para regular armónicos, se pierde la velocidad de reacción al existir un cambio drástico de carga.

CONCLUSIONES

Las alternativas de control diseñadas presentan nuevas tecnologías para la regulación de tensión de sistemas inversores principalmente para el campo de la alimentación ininterrumpida UPS ya que estos sistemas necesitan ondas sinusoidales puras a bajas frecuencias con la menor cantidad de componentes armónicos además de asegurar su funcionamiento con cargas críticas.

RECOMENDCIONES

El tiempo de simulación es un aspecto clave al momento del diseño de los controladores utilizando MATLAB, se debe considerar tiempos adecuados para la obtención de la respuesta deseada.

Ampliar el conocimiento de las técnicas de control para sistemas de potencia. Así como el estudio de controladores inteligentes para el control de sistemas eléctricos.

Realizar futuras investigaciones sobre controladores inteligentes aplicados a inversores trifásicos, multinivel y con modulación vectorial por ancho de pulso.

GRACIAS