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Resumen
En este artculo se presenta la aplicacin de la
tcnica de modulacin por ancho de pulso (PWM)
de mltiples pulsos para el control de un recticadorsemicontrolado monofsico, que permite la estimacin
de los parmetros de rendimiento como son la
eciencia, el factor de forma, el factor de rizo y elfactor de potencia. Para la implementacin de la etapa
de control se utilizaron amplicadores operacionalesy un microcontrolador PIC16F84, mientras que laetapa de potencia consta de un arreglo de diodos y
power MOSFETs. A partir de las pruebas realizadasen el recticador con carga resistiva, se obtienengracas comparativas de los parmetros evaluados
para diferente nmero y ancho de los pulsos. Estosresultados pueden ser comparados con los obtenidosen la aplicacin de la tcnica tradicional de control por
ngulo de fase, permitiendo de esta manera, comprobarque la tcnica PWM de mltiples pulsos mejora los
parmetros de rendimiento del recticador.
Palabras Clave: Parmetros de rendimiento, Factorde forma, factor de potencia, factor de rizo, eciencia,modulacin por ancho de pulso (PWM), recticadorcontrolado monofsico.
Abstract
This article presents the application of the MultiplePulse Width Modulation technique in the control of
a monophase semiconverter, which let estimation ofsome performance parameters like efciency, formfactor, ripple factor and power factor. Control stage is
based in operational ampliers arrays and a PIC16F84microcontroller, while power stage is based in diodesand power MOSFETs. From tests using a resistiveload, performance graphics were obtained for differentnumber of pulses and pulse width. Results can becompared with those obtained during application ofthe phase control technique for demonstrating PWM
technique presents better performance parameters.
Estimacin de los Parmetros de Rendimiento para un Rectifcador
Controlado Monofsico Mediante la Tcnica PWM de Mltiples PulsosInvestigacin
Cruz Cruz Mario, Gmez Gonzlez Francisco Javier, Muoz Arzate Guillermo, Mndez Ancona Javier.Departamento de Ingeniera Elctrica y Electrnica, Instituto Tecnolgico de Veracruz, Veracruz, Mxico.
Tel. y Fax. (229) 9388104 correo electrnico: [email protected]
Key word: Performance parameters, form factor,
power factor, ripple factor, efciency, Pulse WidthModulation (PWM), monophase semiconverter.
Introduccin
La tcnica de modulacin por ancho de pulso ha sido
tratada en diferentes artculos [2, 5, 6, 9 y 11]; sinembargo, stos no tratan su aplicacin en el clculo delrendimiento de un recticador controlado. Lo anterior,motiv la elaboracin de este artculo.
En algunas aplicaciones tales como cargadores de
bateras y en algunas clases de controles de velocidadpara motores de CD y CA, es necesario contar conun voltaje de alimentacin de CD controlable. Laconversin de CA a CD controlable se consigue conconvertidores controlados por fase por medio detiristores [7].
Tradicionalmente, la potencia de salida en unrecticador controlado se consigue variando el ngulo
de disparo de los tiristores (normalmente SCRs) queconstituyen su topologa.
A esta tcnica de control se le conoce como tcnicade control por ngulo de fase [4].
La tcnica de control PWM de mltiples pulsos
consiste en generar varios pulsos durante cada mediociclo de la seal de alimentacin de CA. Los pulsosse obtienen comparando una seal triangular (seal
portadora) con una seal de referencia, tal y como semuestra en la gura 1.
Figura 1.- Control PWM de mltiples pulsos.
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En la gura 5 se aprecia el comportamiento delfactor de forma para diferentes anchos de pulso.
Conforme se incrementa el ancho de pulso, el factorde forma disminuye, es decir, mejora.
Figura 5.- Factor de forma con control PWM, un solopulso.
La gura 6 presenta el factor de rizo obtenido.Como se puede ver en la grca, el factor de rizo es
bajo para anchos de pulso grandes.
Figura 6.- Factor de rizo con control PWM, un solopulso.
La gura 7 muestra la grca correspondiente alfactor de potencia. Como se observa a mayor ancho de
pulso el factor de potencia es cercano a la unidad.
Figura 7.-Factor de potencia con control PWM, unsolo pulso.
II.- Control PWM, dos pulsos por cada medio ciclo.
La grca de la eciencia se muestra en la gura8. Comparando este resultado con el obtenido para elcaso de un solo pulso por cada medio ciclo, se apreciauna mejora en este parmetro. Como se observa, a
mayor ancho de pulso la eciencia del recticador seincrementa.
Figura 8.- Eciencia con control PWM, dos pulsos.
En la gura 9 se muestra el factor de forma delrecticador semicontrolado. Analizando y comparandoesta grca con la de la gura 5, se observa que elfactor de forma mejora tambin.
Figura 9.- Factor de forma con control PWM, dospulsos.
La gura 10 presenta el factor de rizo obtenido.Como se puede ver en la grca, el factor de rizo es
bajo para anchos de pulso grandes. Si comparamossta con la de la gura 6, se nota que el factor de rizose reduce.
Figura 10.- Factor de rizo con control PWM, dospulsos.
ESTIMACIN DE LOS PARMETROS DE RENDIMIENTO PARA UN RECTIFICADOR CONTROLADOMONOFSICO MEDIANTE LA TCNICA PWM DE MLTIPLES PULSOS
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La gura 11 muestra los valores correspondientesal factor de potencia. Comparando con la grca dela gura 7, este parmetro mejora para el caso de 2
pulsos por medio ciclo.
Figura 11.-Factor de potencia con control PWM, dos pulsos.
III.- Control por ngulo de fase.
Para esta tcnica la grca de la ecienciase muestra en la gura 12. Se puede apreciar unadiferencia en comparacin con los resultados indicados
en las guras 4 y 8.
Figura 12.- Eciencia con control por ngulo de fase.
La gura 13 presenta el factor de forma obtenido.Al igual que la eciencia, este parmetro muestravariacin en su comportamiento en relacin a lasguras 5 y 9.
Figura 13.- Factor de forma con control por ngulo de fase.
Por otra parte, en la gura 14 se aprecia el factorde rizo obtenido.
Figura 14.- Factor de rizo con control por ngulo de fase.
Comparando con los resultados de las guras 6 y10, se puede notar una diferencia importante.
En la gura 15 se muestra la grca del factor depotencia obtenido. Para este caso, el comportamientorespecto al sealado en las guras 7 y 11 es similar.
Figura 15.-Factor de potencia con control por ngulo de fase.
Finalmente, en la gura 16 se muestra la formade onda en la carga para el caso de la tcnica PWM
con dos pulsos por cada medio ciclo, para un ancho de
pulso cercano al 100%.
Figura 16.- Forma de onda en la carga con controlPWM, dos pulsos.
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Conclusiones
Se presentaron los resultados obtenidos de laevaluacin de las tcnicas de modulacin por anchode pulso (PWM) de mltiples pulsos y de control
por ngulo de fase, para el clculo de los parmetrosde rendimiento de un recticador semicontroladomonofsico con carga resistiva.
Para el caso de la tcnica PWM de mltiples pulsos,
se consideraron uno y dos pulsos por cada medio ciclode la seal de alimentacin de CA; sin embargo, cabemencionar que el diseo implementado permite laoperacin para tres, cuatro y hasta cinco pulsos porcada medio ciclo.
De los resultados mostrados en este artculo se
concluye que, para la tcnica PWM de mltiplespulsos, el rendimiento es superior en el caso de dos
pulsos por cada medio ciclo.
Para el caso de la eciencia, la tcnica de controlpor ngulo de fase presenta una mayor eciencia quela de mltiples pulsos, e incluso sta mejora tambinal incrementarse el nmero de pulsos para el caso de
la tcnica PWM.
Para el factor de forma y el factor de rizo los valoresobtenidos por la tcnica de control por ngulo defase son mejorados. Sin embargo, al igual que en laeciencia se observa que al incrementar el nmero de
pulsos, se mejoran los valores de estos parmetros.Con respecto al factor de potencia, la tcnica de
mltiples pulsos presenta mejores resultados respecto
a los obtenidos con la tcnica de control por ngulo de
fase. Al igual que en los casos anteriores, este parmetromejora al incrementarse el nmero de pulsos.
Como trabajo futuro, se estimarn los parmetrospresentados en este artculo para el caso de tres, cuatro
y cinco pulsos por cada medio ciclo, con la intencin decompararlos con los aqu documentados y comprobarsi la tcnica PWM de mltiples pulsos es superior a la
tradicional de control por ngulo de fase.
Referencias
[1] M. Cruz, F. J. Gmez y G. Muoz, Clculo delRendimiento de la Tcnica PWM de MltiplesPulsos para un Recticador ControladoMonofsico. Aceptado para presentacin enla Semana Nacional de Ingeniera Electrnica(SENIE), Aguascalientes, Mxico. Octubre 1-32008.
[2] J. A. Lerma, F. J. Gmez y J. Mndez, Clculodel Rendimiento de la Tcnica de Control porngulo Simtrico para un Recticador ControladoMonofsico. Aceptado para presentacin enla Semana Nacional de Ingeniera Electrnica(SENIE), Aguascalientes, Mxico. Octubre 1-3
2008.[3] E. Palacios, F. Remiro, Microcontrolador
PIC16F84. Desarrollo de proyectos. 2a. Edicin.Editorial Alfa-Omega.
[4] M. H. Rashid;Electrnica de Potencia. Circuitos yAplicaciones. 2. Edicin. Ed. Prentice Hall.
[5] M. H. Rashid y M. Aboudina, Analisys offorced-commutated techniques for AC-CDconverters. 1st European Conference on Power
Electronics and Applications, Bruselas.[6] M. A. Boost y P. Ziogas. State-of Art PWM
techniques. IEEE Transactions on IndustryApplications, Vol. 24, No. 2.
[7] Ned Mohan, Tore M. Undeland, William P. Robbins.Power Electronics. Converters, Applications, andDesign. Second Edition.
[8] Robert F. Coughlin, Fedrerik F Driscoll.Amplifcadores Operacionales y CircuitosIntegrados Lineales. 2a. Edicion. Editorial PrenticeHall.
[9] R. Wu, S. B. Dewan y G. R. Slemon; Analysiso an AC-to-DC voltage source converter usingPWM with phase and amplitude control. IEEETransactions on Industry Applications, Vol. 27 No.2.
[10] TMOS Power MOSFET. Transistor Data.Motorola.
[11] X. Ruan, L. Zhou y Y. Yan. Sof-switchingPWM three-level converters. IEEE Transactions
Electronic, Vol. 16, No. 5.
Artculo recibido: 7 de noviembre de 2008Aceptado para publicacin: 26 de noviembre 2008
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