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Electrnica de Potencia 25 de junio del 2012
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SIMULACIN DE UN RECTIFICADOR UTILIZANDO LA TCNICA DE
MODULACIN SPACE VECTOR.
Lorena Flores C., Alumna, Alfred Ramrez H., Alumno, Francisco Silva G., Alumno
ResumenEn este informe se utiliza la tcnica
de Space Vector Modulation (SVM) para el
anlisis y control de un Voltage Source
Rectifier (VSR). La simulacin se realiza
utilizando el programa PSIM .
Palabras ClavesConmutacin, SVM, VSR,
Rectificacin, MOSFET.
I. Introduccin.
Resulta muy comn encontrarse en la
industria con equipos convertidores AC/DC
para la alimentacin de grandes y numerosos
equipos electromecnicos. Este tipo de equipos
son conocidos como fuentes de armnicos,
pues inyectan una gran cantidad de ellos a la
red, debido a ello en las ltimas dcadas se han
llevado grandes avances en la investigacin y
desarrollo tanto de normas de regulacin de
distorsin armnica, como de mtodos de
control y reduccin de armnicos. Los
principales avances ha sido enfocados en el
control de puentes rectificadores mediante
Pulse Width Modulation (PWM) para la
reduccin de armnicos en los puentes de
diodos. Dichos puentes de diodos son
utilizados principalmente en la rectificacin y
en la inversin de tensin o corriente. A
continuacin se muestra un VSR
implementado mediante un puente de diodos
(MOSFET).
Figura 1: VSR by MOSFET diodes.
II. Especificaciones Tcnicas.
Las consideraciones tomadas en la
ejecucin del proyecto son:
Voltaje en el primario .
Potencia de salida .
Resistencia de carga .
Inductancia de carga
Frecuencia del sistema
III. Diseo.
Implementar digitalmente un VSR
controlado mediante SVM para alimentar una
carga RL de 2 [MW].
En el proceso de rectificacin se utilizaron
diodos MOSFET, pues estos poseen la virtud
de conmutar entre estados ON-OFF varias
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miles de veces por segundo, situacin ante la
cual los Tyristores no pueden hacer frente,
pues solo pueden realizar este switcheo una
vez por ciclo.
Utilizando el software de Psim 9.1 se
implemento el rectificador.
IV. Modulacin PWM Space Vector
La modulacin PWM Space Vector
consiste en construir seales de control de
pulso para puentes de diodos implementados
en la rectificacin.
La Figura 3 a continuacin detalla la
representacin bidimensional de la
distribucin de los vectores espaciales.
Figura 2. Distribucin Vectores espaciales.
En este caso se emplea la secuencia de la
Figura 3, en la cual se aprecia que la secuencia
utilizada es simtrica. Adems, una de las
ventajas reconocidas de esta secuencia es el
bajo contenido armnico que agrega a la red,
en comparacin a otras secuencias utilizadas.
Figura 3. Secuencia de estados.
V. Vector de referencia.
Debido a que el proceso del SVM es un
mtodo realimentado necesita una referencia, la
cual en este caso es la fase del voltaje de la red de
alimentacin, la cual se desea rectificar. Cabe
mencionar que se consider como punto de inicio
el vector de estado , tomando en este punto el
ngulo de referencia 0.
Figura 4. Clculo vectores espaciales.
VI. Localizacin de los vectores.
Se definen 6 sectores separados por 60
cada uno, los cuales son delimitados por la
locacin de los vectores espaciales. Esto
resulta en 6 vectores no nulos ( ) y dos
estados nulos ( ). Estos vectores contienen los estados de los switches del rectificador dados
en la tabla siguiente:
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Figura 5. Estados de los switches.
La implementacin digital de dicho proceso se
realiza mediante el siguiente circuito:
Figura 6. Clculo ubicacin de vectores.
VII. Clculo intervalos de tiempo.
La parte fundamental de este proceso de
modulacin recae en los tiempos de
permanencia en cada estado, los cuales tienen
estricta relacin con el nmero de muestras
por sector. Las ecuaciones que determinan los
tiempos son:
( )
( )
Digitalmente esto es muy fcil de
implementar y se detalla en la siguiente figura:
Figura 7. Clculo intervalos de tiempo.
El periodo de muestreo escogido es
VIII.Estados de conmutacin.
Tal como se menciono anteriormente se
utilizo una secuencia de conmutacin
simtrica ( ), la cual posee un menor
contenido armnico con relacin a otras
secuencias, pero posee mayor posee un mayor
nmero de conmutaciones.
Figura 8. Seleccin estados de conmutacin.
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IX.Anlisis de datos.
El voltaje de salida del rectificador es:
Por lo cual la tensin inducida en el
secundario del transformador es:
Con esto se obtiene la razn de vueltas del
transformador, esta es:
La forma de onda de los voltajes y
corriente en la salida y entrada del rectificador,
obtenidas de las simulaciones son:
Figura 9. Corrientes de lnea en el primario.
Figura 10. Corrientes en el secundario.
Figura 11. Voltaje de fase en el secundario.
Figura 12. Voltaje de lnea en el secundario.
Figura 13. Voltaje en la carga.
Figura 14. Corriente en la carga.
Adems la potencia obtenida en la salida
del rectificador es:
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Figura 15. Potencia de salida.
El factor de potencia en la entrada del
rectificador es:
Figura 16. Factor de Potencia en el primario.
El contenido armnico en el primario y en
el secundario del transformador son los
siguientes:
Figura 17. Contenido Armnico en el
primario.
Figura 18. Contenido Armnico en el
Secundario.
La Total Harmonic Distortion (THD) de
corriente, consideran las armnicas 5, 7, 11 y
13. Estos valores se calculan como sigue:
(
)
( )
( )
( )
Donde .
X. Conclusiones.
Una de las tcnicas ms actuales y
eficientes de modulacin, ya sea para
Inversores como para Rectificadores, es
la modulacin por vectores espaciales.
Una de las caractersticas de este tipo de
modulacin es que se puede forzar la
conmutacin de cada uno de los
interruptores del rectificador.
Considerando esto, se concluy que los
interruptores ptimos para este trabajo
son aquellos semiconductores con
capacidad de gate-turn-off, es decir, los
MOSFET o IGBT.
Se aprecia que el Factor de Potencia en la
entrada del rectificador es bastante malo,
ya que este llega a un valor inferior a 0.6,
lo que deja a la vista que si bien el
mtodo es eficiente en cuanto a la
disminucin de armnicos, es bastante
deficiente con respecto al factor de
potencia producto de las secuencia de
conmutacin utilizadas (SVM5). Debido a
este mal factor de potencia se deduce,
adems, que se est demandando mucha
potencia reactiva lo que genera que la
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corriente en la entrada del rectificador sea
bastante alta.
La simulacin evidencia la necesidad de
complementar el mtodo de rectificacin
con un filtro capacitivo a la salida del
rectificador modulado por SVM, con el
objeto de disminuir el ripple de tensin y
corriente en la salida DC del convertidor.
De igual forma es necesario implementar
un filtro armnico a la entrada del
convertidor pues an se aprecia una
contaminacin armnica considerable de
corriente que bordea el 27%.
XI.Referencias.
[1] Muhammad H. Rashid: Electrnica de
Potencia. Circuitos, dispositivos y
aplicaciones. 3. Edicin, Prentice-Hall, 2004.
[2] Eduardo P. Wiechmann: Space Vector
Modulation of Boost Rectifier and VSI.
Apunte 2012.
[3] Daniel W. Hart: Electrnica de Potencia.
1. Edicin. Prentice-Hall 2000.