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FACULTAD DE INGENIERÍA ELÉCTRICA Y ELECTRÓNICA Electrónica y Automatización – Electricidad- Tecnologías de la Información- Telecomunicaciones

Período: 2020-A | http://ciecfie.epn.edu.ec/wss/VirtualDirectories/80/Enlaces/LABORA.htm

LABORATORIO DE FUNDAMENTOS DE CIRCUITOS ELÉCTRICOS

PRÁCTICA 2

1. TEMA

INTRODUCCIÓN A MATLAB/SIMULINK APLICADO AL ANÁLISIS DE CIRCUITOS

ELÉCTRICOS

2. OBJETIVOS

2.1. Familiarizar al estudiante con las herramientas básicas que provee el software

MATLAB/Simulink respecto a circuitos eléctricos.

2.2. Dar a conocer a los estudiantes las pautas generales relacionadas con la

simulación de circuitos eléctricos, así como con la resolución de preguntas de

preparatorios o informes donde se solicite el desarrollo o comprobación de

resultados mediante simulación.

3. MARCO TEÓRICO

Introducción a MATLAB

El entorno MATLAB, abreviatura de MATrix LABoratory, es decir, laboratorio de

matrices, cuenta con numerosas herramientas de cálculo que lo convierten en una

herramienta muy útil para profesionales de diversas ramas de la ciencia, en especial

para ingenieros. Sus librerías o toolboxes especializadas en diferentes temáticas

permiten simular modelos en Simulink de manera muy rápida. Particularmente en

nuestro caso, se utilizará el Toolbox Simscape/SimPowerSystems que cuenta con

numerosos bloques destinados al modelado de circuitos eléctricos, sistemas eléctricos

de potencia, máquinas eléctricas, etc.

Interfaz de MATLAB

Una vez instalado MATLAB/SIMULINK, al iniciar el programa por primera vez

aparecerá la interfaz de la Figura 1 con su disposición de ventanas (layout) por defecto

(default). En esta interfaz se visualizan las principales ventanas o áreas de trabajo. En

la ventana 1. Current Folder se pueden explorar carpetas y archivos y definir la carpeta

actual. Todos los archivos que se ejecutarán deberán estar incluidos en la misma. En

la ventana 2. Command Window se podrán ingresar líneas de comando en el punto de

inserción denominado prompt (>>) y visualizar salidas y mensajes del sistema. En la

ventana 3. Workspace se podrán visualizar las variables y constantes del sistema que

se van creando durante la ejecución de comandos, importación de datos, etc. Mientras

que, en la ventana 4. Command History se visualizará el historial de los últimos

comandos ejecutados pudiendo acceder nuevamente a los mismos.

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Figura 1 Interfaz de MATLAB y sus principales ventanas

Introducción a Simulink

SIMULINK es una herramienta de MATLAB que ofrece un editor gráfico, bibliotecas de

bloques personalizables y un conjunto de solvers, para modelar y simular sistemas

dinámicos. La capacidad de integración de SIMULINK con MATLAB, le permite

incorporar algoritmos de este lenguaje dentro de los modelos de SIMULINK, importar

parámetros y datos necesarios para la simulación, y exportar los resultados de la

simulación a MATLAB, para analizar los datos, realizar gráficos específicos, crear y

exportar archivos, etc. Los sistemas dinámicos pueden ser simulados utilizando

SIMULINK. En la mayoría de los casos, estos implican procesos lineales o no lineales

dependientes del tiempo, que pueden ser descritos mediante ecuaciones diferenciales

(tiempo continuo) o ecuaciones en diferencia (tiempo discreto).

El programa se inicia desde la ventana de MATLAB, a través de las siguientes

opciones:

Con el comando >> simulink.

A través del botón de SIMULINK presente en la barra de herramientas de

MATLAB

Figura 2 Botón de simulink



En ambos casos se abre la interfaz inicial de simulink, la cual es similar a la figura 3.

Figura 3 Interfaz inicial de simulink

Al seleccionar blank model, se abre la ventana en que se modelara el sistema (Figura

4).

Figura 4 Nueva ventana para modelar el circuito

Al dar click en Library Browser, se abre el Simulink Library Browser (SLB)

donde se visualizan las bibliotecas de bloques disponibles organizadas en

grupos funcionales que pueden contener subgrupos:



Figura 5. Nueva ventana para modelar el circuito

Simulink, dispone de varias librerías que permiten simular diferentes aplicaciones,

entre ellas la Simulación de Circuitos Eléctricos mediante Simscape Electrical. Se

puede invocar a esta librería desde de Simulink o escribiendo simscape en el

indicador de comandos de MATLAB.

Como ejemplo, se simula un circuito resistivo en serie con una fuente de voltaje (véase

Figura 6). Los parámetros del circuito mostrado son VS=12 [𝑉], R1=7Ω y R2=5Ω.

R1

VS R2I

Figura 6 Circuito básico a modelar en Simulink

Para modelar este circuito se escribe en el prompt de MATLAB “simscape”,

seleccionar “Electrical” y después se muestra la ventana simscape electrical (véase

la Figura 7.a). En el menú File de la Figura 7.a, se abre una nueva ventana como se

muestra en la Figura 4.

El bloque solver configuration de la Figura 7.b se conoce como el bloque de

ambiente para los modelos Simscape Electrical y debe ser incluido en todos los

modelos que contiene los bloques de Simscape Electrical. En consecuencia, se lo

debe añadir al modelo del circuito, conectado al punto de referencia tal como se

muestra en la Figura 8. Todo circuito debe poseer un punto de referencia (Electrical

Reference) conectado.



Figura 7. a) Librería Simscape Electrical b) Librería Simscape Utilities

Figura 8. Ventana con la adición del bloque solver configuration

A continuación, se tienen que añadir los componentes del circuito eléctrico mostrado

en la Figura 6. Desde el bloque Sources mostrado por la Figura 7.a se selecciona el

bloque Voltage Source y se lo arrastra a la ventana, desde el bloque Passive se

selecciona y mueve el bloque Resistor, se realiza lo mismo con el bloque Electrical

Reference ubicado en el bloque Connectors&References, del bloque

Sensors&Transducers se seleccionan los bloques de medición de voltaje y corriente,

y desde la librería de Simulink Sinks seleccionamos y arrastramos el bloque Display

(visualización), finalmente del bloque Utilities se selecciona y arrastra el bloque

Simulink-PS Converter. Los componentes del circuito a simular se presentan en la

Figura 9.

Figura 9. Componentes del circuito a modelar



Desde el bloque Voltage Source se hace doble clic en él y desde la ventana de

parámetros del bloque, este bloque permite simular fuentes AC y DC, en este caso se

requiere una fuente DC de 12V por lo tanto se selecciona el componente DC voltaje

con el valor fijado en 12V y los valores AC en 0V como se ilustra en la Figura 10.

Figura 10. Parámetros del bloque Voltage Source

Se requiere de otra resistencia de 5Ω para el modelo, por tanto, se copia y pega la

resistencia de 7Ω y se modifica su valor en el bloque de parámetros, tal como se

mostró en la Figura 10. Para girar la resistencia a la derecha basta con Ctrl+R.

Adicionalmente, se necesitan dos bloques Display (visualización), uno para medir la

corriente y otro para medir el voltaje, por tanto, se copia y pega el bloque Display en el

modelo. El bloque Display debe ser conectado con el bloque de medición por medio

del bloque Simulink-PS Converter. El circuito final a simular se muestra en la Figura

11.

Figura 11. Modelo final en Simscape Electrical del circuito de la Figura 6

4. TRABAJO PREPARATORIO

4.1. En la figura 12, identificar, contabilizar y señalar el número de mallas, nodos

principales y secundarios. (Tiempo requerido: 10min)



Figura 12 Circuito Resistivo

4.2. Utilizando ley de ohm y/o resistencias equivalentes encuentre las ecuaciones

para calcular las caídas de voltaje en R1, R3 y R5. (Tiempo requerido: 15min)

4.3. Si V=25V, R1=R3=20Ω, R2=R5=10Ω y R4=5Ω, verifique si se cumple o no la

relación: (Tiempo requerido: 10min)

𝑉𝑅3 > 𝑉𝑅5 4.4. Explique qué modificación (sólo una) debe realizarse en el circuito eléctrico

para que se cumpla: (Tiempo requerido: 10min)

𝑉𝑅2 = 𝑉𝑅5 4.5. Entregar el trabajo preparatorio de acuerdo a las indicaciones del instructor,

hasta un máximo de 15min antes del inicio de la práctica de laboratorio.

(Tiempo requerido: 5min)

4.6. Preparar una HOJA DE DATOS DIGITAL INDIVIDUAL acorde a las

indicaciones de su instructor. (Tiempo requerido: 10min)

5. EQUIPO Y MATERIALES

MATLAB/SIMULINK

6. PROCEDIMIENTO

6.1 MATLAB

a) El instructor dará una introducción respecto al software Matlab y su

aplicación en circuitos eléctricos. (Tiempo estimado: 10min )

b) El instructor presentará métodos de resolución de sistemas de

ecuaciones utilizando MatLab. (Tiempo estimado: 20min)

c) El instructor propondrá un sistema de ecuaciones y utilizando MATLAB,

realizar los cálculos necesarios a fin de determinar el resultado. NOTA:

los cálculos deber ser realizados en MATLAB y no con calculadora.

Los resultados deben ser añadidos a la hoja de datos. (Tiempo

estimado: 20min)

6.2 SIMULINK

a) Implementar en Simulink el circuito de la Figura 12 y encontrar las

corrientes y voltajes en cada elemento. Realizar una captura de

pantalla. (Tiempo estimado: 20min)



b) Escoger una malla en el circuito de la Figura 12 y verificar que se cumpla

que la suma algebraica de las caídas de voltaje de sus elementos es

igual a cero. Detallar la malla y los elementos seleccionados (Tiempo

estimado: 10min)

c) Implementar el esquema mostrado en la figura 13, conectar los

instrumentos de medida, y a través del bloque Scope, observar las

formas de onda de la corriente y voltaje en el resistor R2. Tomar en

cuenta un tiempo de simulación de 0.1s. NOTA: El instructor detallará

el funcionamiento y cómo configurar adecuadamente el bloque

Scope para visualizar las dos formas de onda a la vez. Además, el

instructor realizará una explicación de la(s) manera(s) de exportar

las formas de onda obtenidas al workspace de MATLAB y como

generar gráficas adecuadas que presenten de mejor manera los

resultados. Añadir las gráficas generadas a la hoja de datos digital.

(Tiempo estimado: 30 min)

Figura 13. Modelo en Simulink

6.3 Entregar la hoja de datos digital con el desarrollo de la práctica de acuerdo a

las indicaciones del instructor. (Tiempo estimado: 10min)

7 INFORME

7.1 Comparar los resultados obtenidos tanto a mano, en MATLAB como en SIMULINK para los voltajes y corrientes del circuito de la Figura 12. Presentarlos en una tabla. (Tiempo requerido: 15min)

7.2 Implementar en SIMULINK el circuito de la Fig. 14, presentar la captura de pantalla del circuito implementado y una tabla con los valores de los voltajes y corrientes de todos los elementos. Tener en cuenta V1=24V y V2=12V (Tiempo requerido: 25min)



Figura 14. Circuito resistivo

7.3 Conclusiones y recomendaciones. (Tiempo requerido: 10min) 7.4 Bibliografía. (Tiempo requerido: 5min)

7.5 Entregar el informe de acuerdo a las indicaciones del instructor, 15min

antes de la siguiente sesión de laboratorio. (Tiempo requerido: 5min)

8 REFERENCIAS

(1) Electrónica Teoría de Circuitos, R. BOYLESTAD, L. NASHELSKY, Prentice-Hall, México.

(2) Getting Started with Simscape Electrical, MathWorks,

https://la.mathworks.com/help/physmod/sps/getting-started-with-simscape-electrical.html

(3) Simscape Electrical Block Libraries, MathWorks, https://la.mathworks.com/help/physmod/sps/ug/simscape-electrical-block-libraries.html

Elaborado por: Área de Circuitos Eléctricos

Revisado por: Ing. Vanessa Benavides MSc.

Coordinador Fundamentos de Circuitos Eléctricos

Ing. Andrés Cela, MSc.

Jefe de Laboratorio de Circuitos Eléctricos

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