Control de un rectificador PWM con funciones ampliadas basado en un procesador digital de señales

tiga RIIT Vol.X. No.1. 2009 51-62, ISSN1405-7743 FI-UNAM (artículo arbitrado) Estudios e Inves ciones Recientes Control de un rectificador PWM con funciones ampliadas basado en un procesador digital de señales Control of a PWM Rectifier with Extended Functions in a Signal Digital Processor C. Núñez-Gutiérrez Centro de Investigación y Estudios de Posgrado, Facultad de Ingeniería (CIEP) Universidad Autónoma de San Luis Potosí. México. E-mail: J. Lira-Pérez Centro de Investigación y Estudios de Posgrado, Facultad de Ingeniería (CIEP) Universidad Autónoma de San Luis Potosí. México. E-mail: V.M. Cárdenas-Galindo Centro de Investigación y Estudios de Posgrado, Facultad de Ingeniería (CIEP) Universidad Autónoma de San Luis Potosí. México. E-mail: R. Alvarez-Salas Centro de Investigación y Estudios de Posgrado, Facultad de Ingeniería (CIEP) Universidad Autónoma de San Luis Potosí. México. E-mail: (Recibido: marzo de 2007; aceptado: marzo de 2008) Resumen Este trabajo presenta la aplicación de un procesador digital de señales (DSP) para el control de un rectificador PWM trifásico para aplicaciones industriales, al cual se le amplían sus funciones para tener capacidad de compensar caídas de voltaje instantáneas. El estudio resalta las ventajas que ofrece el DSP para controlar el rectificador haciendo uso de la transformación del sistema de un marco de referencia fijo a uno síncrono (teoría D-Q) y controladores clásicos. Se presenta el análisis del sistema, así como resultados de simulación y experimentales para validar la operación del DSP como elemento controlador del sistema. Descriptores: Calidad de la red eléctrica, distorsión armónica, procesador digital de señales, rectificador PWM trifásico, teoría D-Q, compensación de caídas de voltaje instantáneas. Abstract This work presents the application of a digital signal processor (DSP) for the control of a three-phase PWM rectifier for industrial applications, to which are extended their functions to have capacity to compensate voltage sags. The study stands out the advantages that the DSP offers to control, based on the system transformation from fix reference frame to synchronous reference frame (D-Q theory) and classical controllers. The analysis of the system is presented, as well as simulation and experimental results to validate the operation of the DSP as system element controller. Control de un rectificador PWM con funciones ampliadas basado en un proce sador digital de señales Keywords: Power quality, harmonic distortion, digital signal processor, three-phase PWM rectifier, D-Q theory, sags compensation. Intro duc ción La conversión de la corriente alterna (CA) a corriente directa (CD) se realiza mediante circuitos rectificadores. Cuando se requieren bajas potencias estos circuitos suelen ser monofásicos, pero cuando la potencia es elevada se utilizan trifásicos. Tanto los circuitos rectificadores monofásicos como los trifásicos se comportan como cargas no lineales para la red de suministro eléctrico, ya que a un incremento de voltaje no corresponde un incremento proporcional de corriente. Lo anterior, origina que la corriente demandada se encuentre distorsionada, generando así problemas de bajo factor de potencia y distorsión armónica. La figura 1 muestra un sistema variador de velocidad industrial, el cual es una aplicación típica de un rectificador trifásico. En dicha figura se muestra la forma de onda que tiene la corriente de la línea. Los picos pueden llegar a un valor que afecte el funcionamiento del sistema y la alta distorsión armónica provoca un factor de potencia bajo, lo cual origina un impacto económico importante. Otro problema importante es cuando ocurre un sag (disminución instantánea del valor de la tensión de alimentación), el voltaje en la carga disminuye afectando el funcionamiento del sistema. Un estudio muestra que un sag de tensión con una duración de 12 ciclos de red o más y una reducción del 20% en la tensión, es suficiente para activar las protecciones asociadas a un proceso continuo relacionado con motores (Sarmiento, et al., 1996). Las soluciones para reducir la magnitud o el efecto de las corrientes armónicas en una red eléctrica pueden clasificarse en los siguientes grupos: – Aumentar el número de pulsos de los rectificadores o la configuración de cargas para que éstas se comporten como convertidores con un mayor número de pulsos. – Utilizar técnicas de inyección de corriente del lado de tensión en CD para así reducir el contenido de corrientes armónicas. – Emplear rectificadores PWM. – Emplear filtros pasivos y activos. Este trabajo presenta el uso de un rectificador PWM trifásico para disminuir los problemas de degradación de la calidad de la red eléctrica originados por la distorsión armónica de un sistema de rectificación (Yimin, et al., 1994), al mismo tiempo, se le amplían sus funciones para compensar los sags de voltaje. Las propiedades de un rectificador PWM trifásico son bien conocidas (Morán, et al., 1992; Stankovic, et al., 2000; Lin, et al., 2004), entre las cuales se encuentran: (1) Compensación del factor de potencia. (2) Cancelación de corrientes armónicas. (3) Capacidad para balancear las corrientes de línea. (4) Control del flujo de potencia. (5) Capacidad de regular la alimentación de CD a la carga. Se presenta el desarrollo de un sistema de control empleando un procesador digital de señales (DSP) como el dispositivo controlador, generando las señales de disparo de los interruptores que llevan a cabo la operación del rectificador PWM trifásico. El DSP debe procesar la información muy rápidamente para poder generar en línea las señales de compensación. ia t n - va + vb ia + C + vc vcd + - Figura 1. Variador de velo cidad industrial 52 RIIT Vol.X. No.1. 2009 43-54, ISSN1405-7743 FI-UNAM M C. Núñez-Gutiérrez, J. Lira-Pérez, V.M. Cárdenas-Galindo and R. Alvarez-Salas cual varia entre 0 y 1. VS es un valor escalado del máximo de la alimentación que corresponde a la componente directa resultante después de aplicar la transformación de coordenadas tratada más adelante. Sin pérdida de generalidad, f1 por simplicidad se puede considerar cero y f2 tiene un papel importante en el control que se explica posteriormente. El principio de operación del rectificador PWM consiste en encender y apagar los interruptores siguiendo un patrón de conmutación senoidal, controlando la fase (f2) con respecto a la red de alimentación. Si se ignoran las componentes armónicas asociadas al patrón de conmutación, el rectificador puede considerarse como una fuente de voltaje de CA senoidal trifásica. La figura 3(a) muestra el circuito equivalente de la componente fundamental de una sola fase, mientras que la figura 3(b) muestra su diagrama fasorial. Ra representa la resistencia de la bobina y v1 es el voltaje de fase generado por el rectificador. La corriente Ia está dada por: Descrip ción del sistema La figura 2 muestra la topología del rectificador PWM trifásico cons (...truncated)