Autores: Arellano Miguel, Ramos Tomas, Rondón Hermes, Speranza Armando / Centro de Ingeniería Eléctrica y Sistemas (CIES). FIIIDT.
Resumen
Para el desarrollo de convertidores estáticos de potencia existen actualmente muchas técnicas de control, ya sean control a lazo abierto o lazo cerrado, igualmente la complejidad de la técnica de control y del circuito de implementación varían dependiendo de dichas técnicas.
En este trabajo la técnica de modulación Delta en los convertidores estáticos de potencia (DC/AC) es muy empleada para la obtención de salidas de tensiones y frecuencias deseadas y con una distorsión total de armónicos muy bajas en comparación con otras técnicas, además la complejidad de los circuitos de implementación es mucho menor y con una alta confiabilidad.
Palabras claves—Modulación Delta, Convertidores, Armónicos.
I. INTRODUCCIÓN
La Modulación de Ancho de Pulso Sinusoidal (SPWM) es uno de los mayormente usados en técnicas de modulación de convertidores estáticos de potencia. La implementación de las estrategias de conmutación SPWM para convertidores varía de acuerdo a la necesidad de control, optimización, reducción de armónicos y mejoras en la implementación. El objetivo primordial de las mayorías de las estrategias de conmutación es proveer bajos contenidos armónicos, bajos números de conmutaciones y fácil control en la salida del convertidor. [1]
La Estrategia de Modulación Delta (DM) provee una relación constante tensión – frecuencia, donde aquellas características son obtenidas sin realimentaciones complejas como las usadas en la mayoría de los convertidores. El número de conmutaciones puede ser controlado sin necesidad de agregar componentes adicionales. Esto puede ser realizado por la variación del nivel de modulación de la onda seno. [2]
En este trabajo de investigación se implementó un circuito de control digital basado en una Matriz de Puertas Lógicas Programable en Campo (FPGA, del inglés field-programmable gate array) y ofrece una operación tensión – frecuencia constante sin la necesidad de hacer más complejo los circuitos de implementación.
La creciente automatización en los sectores comercial, industrial, militar y residencial, ha puesto gran énfasis en el uso de convertidores estáticos de potencia como Sistemas Ininterrumpidos de Potencia (UPS), Fuentes reguladas DC, variadores de frecuencia, entre otros.
II. la técnica de modulación delta
Este método utiliza una onda seno de referencia vr y una onda aproximada delta vf (figura 1a), vf oscila dentro de una ventana definida (figura 1b). El mínimo ancho de la ventana y la máxima pendiente de la señal aproximada, determina la máxima frecuencia de conmutación del convertidor.
Figura 1. Diagrama de bloques funcional de la Modulación Delta [2]
La señal obtenida de la Modulación Delta (DM) sigue a la señal de referencia. La técnica de modulación delta es una variación de la modulación por pulsos codificados usados en comunicaciones [2], este simple método convierte una señal analógica en una señal digital. La señal analógica de referencia vr(t) es codificada en una serie de pulsos, donde los pulsos al ser decodificados regresan a una forma análoga vf(t) por un integrador realimentado y restado a la señal de referencia resulta un error = vr(t) – vf(t), la cual es cuantificado en dos niveles positivo o negativo, dependiendo de la polaridad del error. Este arreglo a lazo cerrado asegura que las polaridades de los pulsos sean ajustados por el signo de la señal de error la cual causa la señal vf(t) que sigue a la señal de referencia vr(t).
La ventaja de usar esta técnica para conmutaciones en convertidores DC/AC son la minimización de bajos armónicos no deseados en la salida. Esta eliminación de bajos armónicos a la salida reduce el tamaño del filtro. Es de fácil implementación en cuanto a componentes y su control es relativamente sencillo.
III. modulación delta con Matriz de Puertas Lógicas Programable en Campo (fpga)
Este proyecto consiste en una versión de la modulación delta implementada a un convertidor DC/AC como se aprecia en el diagrama de bloques a continuación:
Este esquema es similar a la modulación delta convencional con la particularidad que toda la lógica de control esta implementada con una FPGA y la estructura de programación realizada en un lenguaje de descripción de hardware (VHDL significa HDL Hardware Description Language, y a su vez VHSIC significa Very High Speed Integrated Circuit).
Con respecto a la técnica de modulación, la señal de referencia está construida con una resolución de 12 bits, la señal aproximada de realimentación esta acondicionada para ser digitalizada por la FPGA igualmente a 12 bits y comparada con la señal de referencia. La señal de error es la diferencia error = vr(t) – vf(t), la cual es cuantificada en dos niveles dependiendo del signo de la señal de error, luego es muestreada a una frecuencia alta para obtener una mejor respuesta de la señal de salida vo(t).
IV. SIMULACIONES CON MATLAB – SIMULINK
El esquema (figura 3a) presenta una configuración de un convertidor DC/AC monofásico (Un brazo) basado en la técnica modulación delta. Los parámetros están ajustados para obtener a la salida una tensión de 120Vrms y 60Hz.
Figura 3. Convertidor DC/AC Monofásico (Matlab-Simulink)
Dentro de los parámetros de simulación se ajustó la frecuencia de muestreo a 20kHz, Una tensión en el Bus DC de 360Vdc y un tiempo de simulación de 0,5 segundos. En la figura 3b se muestra la señal de referencia y de realimentación (parte superior) y error (parte inferior) en la técnica de modulación delta.
Los transistores bipolar de puerta aislada (conocido por la sigla IGBT, del inglés Insulated Gate Bipolar Transistor) generan una salida de dos niveles (figura 4a – superior) la cual es pasada por un filtro LC para obtener la componente fundamental (60Hz) en tensión y corriente (figura 4b – inferior).
Figura 4. Tensiones de salidas sin filtro / con filtro – carga resistiva (Frecuencia de conmutación 20kHz)
La tensión de salida con filtro y el espectro en frecuencia (figura 4b) representa un THD para este caso de estudio de 1,26%.
V. MONTAJE EXPERIMENTAL
En el laboratorio de la Unidad Tecnológica de Electrónica Industrial (UTEI – CIES) se desarrolló un prototipo preliminar de convertidor DC/AC (Inversor Trifásico) con salida configurable en tensión y frecuencia (Figura 5).
Especificaciones técnicas:
Trifásico 3 ó 4 Hilos
Configurable en Frecuencia 50Hz/60Hz/400Hz.
Tensiones de Servicio
Monofásicas 120V/60Hz – 220V/50Hz – 115V/400Hz
Trifásicas 220V – 380V/50Hz
120V – 208V/60Hz
115V – 200V/400Hz
El modulo de control es realizada a través de una tarjeta basada en FPGA de desarrollo nacional y propiedad intelectual de la Universidad Simón Bolívar y Fundación Instituto de Ingeniería (FII), la cual consta de Entradas/Salidas Digitales, Entrada/Salidas Analógicas, Conexión USB entre otras prestaciones. La técnica modulación delta y toda la lógica de control están desarrolladas en VHDL.
VI. Conclusiones
Con este trabajo de investigación y desarrollo nacional se busca independencia tecnológica en el área de la electrónica de potencia para las diversas aplicaciones que el país requiere; UPS, Convertidores AC/DC-DC/DC-DC/AC-AC/AC.
Este proyecto consistió en el desarrollo de un Inversor DC/AC, muestra que la modulación delta ofrece muchas ventajas en aplicaciones de convertidores. Entre ellas tenemos una muy importante como es la atenuación de los armónicos en el lado de la carga, esto se traduce en un THD muy bajo, además de una relación constante Tensión-Frecuencia para un rango de frecuencia, entre otras.
La implementación de la técnica de modulación delta requiere una configuración sencilla para la aplicación en convertidores estáticos.
Apéndices
Tarjeta de desarrollo nacional y propiedad intelectual, esta tarjeta electrónica está basada en una FPGA y otros componentes adicionales que consta de las siguientes características:
- 23 entradas salidas digitales a 3.3 V
- 4 salidas digitales de 15 v
- 4 entradas de alto nivel configurables en voltaje por divisores de tensión.
- 12 canales analógicos, de los cuales se pueden leer 6 a la vez.
- Estos canales analógicos pueden muestrear a 1 mega muestra por segundo.
- FPGA EP1C6T144C6 de altera, con 5980 celdas lógicas, 2 PLL internos y 96160 bit de RAM interna.
- Conexión USB 1.1 capaz de transmitir a 800 k byte por segundo.
- Puerto RS 232.
- 2 Puertos JTAG para programar la flash de la FPGA o EEPROM dependiendo de la necesidad.
- Puerto para conectar teclado de 8×8 externo y display LCD
- Generador interno de funciones con el chip AD9833.
- Reloj de la FPGA a 24 MHz.
Referencias Bibliográficas
[1] N. Mohan. “Power Electronics. Converter, Applications and Design”. Jhon Wiley and Sons.
[2] P. D. Ziogas. “The Delta Modulation Technique in Static PWM Inverters”. IEEE Transactions on Industry Applications, Vol. IA-17, No. 2. March / April 1981.
Contactos: ma.arellanob@gmail.com; tomasenriqueramosmesa@gmail.com