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Sistema de Información Científica
Red de Revistas Científicas de América Latina y el Caribe, España y Portugal
energética
Vol. XXVI, No. 1/2005
Controlador borroso
en un ondulador trifásico
Agustín Garzón
Modesto Angulo
Ariel Domínguez
Recibido: Octubre del 2004
Aprobado: Diciembre del 2004
INTRODUCCIÓN
En este trabajo se realiza la implementación de un
controlador borroso en un ondulador trifásico, cuyo
objetivo es obtener voltajes y corrientes trifásicas,
de frecuencia fija para alimentar tanto cargas resistivas
como inductivas. Todo esto con bajo nivel de ruido.
Se plantea como una alternativa los actuales
problemas relacionados con la falta de calidad de la
energía que se distribuye por la red eléctrica, en
cuanto a las oscilaciones de voltaje por debajo y por
encima del valor nominal, los picos sostenidos, y la
distorsión.
Algunos factores derivados del propio desarrollo
tecnológico atentan contra la calidad de la energía.
Por ejemplo, las PCs, autómatas, los dispositivos
Resumen /
Abstract
Se presenta la implementación de un controlador borroso diseñado para obtener un voltaje de salida de magnitud
y frecuencia constantes, mediante un ondulador trifásico. Se plantea el diseño de los esquemas de potencia y
control. Es tratada igualmente la determinación de los valores de ciertos parámetros que se usarán para comprobar
el funcionamiento del sistema: frecuencia de muestreo, conmutación, filtro de salida, para realizar experimentos.
Se muestran y analizan los resultados obtenidos en las simulaciones para
cargas resistiva e inductiva.
Palabras clave: modulación de ancho de pulso, simulación, convertidor, control borroso
The implementation of a fuzzy controller is presented, designed in order to obtaining a voltage of constant value
and fixed frequency, by means of a tree-phase inverter. The design of the power and control parts is shown,
before detailing the characteristics of the architecture of the chosen inverter target of the control. The determina-
tion of the values of certain parameters will be used to check the operation of the system is treated equally:
sampling frequency, commutation, out filter, to carry out experiments.
They are shown and analyzed the results
obtained in the simulations for R and L loads.
Key words: pulse- width- modulated,simulation,inverters,fuzzy control
TRABAJOS TEORICOEXPERIMENTALES
electrónicos así como los de comunicaciones se
alimentan de un rectificador o de una fuente
conmutada, los cuales al carecer de filtraje inyectan
armónicos a la red.
Si se usan sistemas de alimentación ininterrumpida
(SAI), se puede resolver el problema, si se analiza
desde la perspectiva de las cargas. Estos sistemas
proporcionan una tensión sinusoidal de frecuencia fija
y de baja distorsión armónica.
Los SAI cuentan con baterías para almacenar energía,
lo cual permite que en caso de un fallo en la
alimentación, el equipo no lo perciba. Además,
garantizan un correcto funcionamiento de las cargas
conectadas independientemente de la tensión de la
red en cualquier instante. Estos dispositivos funcionan
como un inversor (ondulador), que convierte la tensión
de continua en alterna.
Estos sistemas posibilitan la conmutación automática
del suministro de la energía de la red al de la batería,
de manera que no se
pierdan datos ni se afecten las
comunicaciones.
Existen diferentes aplicaciones en las cuales se usan
una variada gama de dispositivos,
pero a la hora de
implementarlas se tienen en cuenta los siguientes
aspectos: velocidad de conmutación, pérdidas de
conmutación, pérdidas de conducción, capacidad de
sobrecorriente, capacidad de sobrevoltaje, etcétera.
En los trabajos experimentales para mejorar el
rendimiento y la distorsión armónica de los
onduladores, en muchas ocasiones, se controla la
tensión de salida. La utilización de microprocesadores
y DSPs ha hecho posible la realización de cálculos
de manera más rápida, permitiendo un control de la
tensión de salida de una manera continua.
Así mismo, Se han realizado estudios para
implementar los esquemas típicos del control de
sistemas en los onduladores como control PID, cuyos
resultados han sido satisfactorios. Actualmente se
están estudiando otros esquemas de control no lineal
como el control en modo deslizante y que también
están reportando excelentes resultados.
1
Existe la tendencia (y esto se puede observar en
algunos trabajos bibliográficos) a realizar
simulaciones de onduladores controlados con lógica
difusa.
2-4
La realización de tales trabajos se ha basado en la
implementación física del control del ondulador
mediante un DSP. La lógica difusa tiene también como
ventajas que se pueden manejar no linealidades de
complejidad arbitraria y que está basado en estructuras
lingüísticas generales If.
. then que es la base de la
lógica humana.
5
IMPLEMENTACIÓN DEL CONTROL
EN EL ONDULADOR TRIFÁSICO
La simulación se realiza en PSIM y se parte del
esquema
del inversor mostrado en la figura 1.
Para diseñar el ondulador, se determinan los valores
de la frecuencia de muestreo, de conmutación y los
valores del filtro de salida.
En la literatura técnica se habla de frecuencias entre
10 y 20 kHz y hasta superiores. Mediante la simulación
se determina la adecuada para el caso (20 kHz).
La frecuencia de muestreo usada en este caso es la
misma que la de conmutación, ya
que el tiempo de
cálculo que se necesita para realizar las operaciones
es elevado y solo permite efectuar una lectura en cada
período de conmutación.
También se ha comprobado
que a medida que aumenta
la inductancia del valor del filtro de salida la tensión
presenta una menor distorsión. También mediante
simulaciones, se obtuvo que la inductancia adecuada
aquí es de 0,0025 mH.
Algo similar ocurre con la capacidad del filtro y la
distorsión. En este caso, el valor aceptado es 0,001 F.
A partir de ahí, se implementó un
esquema donde
aparecen la parte de potencia y la de control
como se
observa en las figuras 2 y 3.
Esquema del ondulador.
1
Red
Etapa de
Etapa de
inversión
Filtro
Carga
230 V
BUS DE
CONTINUA
Etapa de potencia.
Etapa de control.
2
3
Control con lógica difusa
Ondulador trifásico controlado con lógica difusa + carga inductiva
8
Este esquema es similar en las otras dos fases. Lo
que se hace es comparar el voltaje
V
a
,
V
b
y
V
c
con el
de
referencia (una tensión sinusoidal de 325V eficaz
y de 60 Hz, desfasadas 120
o
entre sí), obteniéndose
el error. Este se
lleva a escala con la constante
Kerror
y se limita para que no lleguen al control valores muy
grandes. Luego se muestrea para mantenerlo fijo du-
rante un período, a una frecuencia igual a la de las
rampas en forma de diente de sierra, que servirán
para generar los pulsos PWM.
Con el error obtenido al hacer la diferencia también
se obtiene la variación del error a través de un bloque
que realizará una derivada en tiempo discreto.
El
valor de la variación del error, se multiplica por el
período de muestreo; también se
lleva
a
escala
y
se
limita
para
realizar
el
cálculo;
luego
se
introducen al bloque de la DLL
difusa
, que es donde
está implementado el control.
Se utilizó el método de modulación PWM, por lo que
el resultado de la comparación de la onda portadora
(diente de sierra a 20
kHz) y la moduladora (en este
caso la salida de la Dll
adecua
, que garantiza el
defasaje de la onda, en dependencia de si recibe un 0
o un 1 lógico), irá directamente a las puertas de los
IGBTS. Como en cada rama debe conducir solo uno
de los interruptores, se ha usado un inversor a la salida
de los inferiores, es decir, de los IGBTs 3, 5 y 6.
El diagrama en bloques del esquema de control, se
muestra en la figura 4.
El control borroso que se implementó se hizo a través
de una Dll (
difusa
) escrita en C, la cual realiza el
emborronado, la inferencia y el desemborronado. Esta
intercambia parámetros con el PSIM. Su lógica se
muestra en los bloques de la figura 5.
La salida del controlador borroso se adecua para ser
comparada con la señal diente de sierra. Las señales
que se obtienen después de realizar la comparación
con la portadora, son pulsos que se aplican a los IGBTs
adecuados para lograr las conmutaciones.
Esquema en bloques del sistema de control.
4
Esquema de bloques de la DLL difusa.
5
Emborronado
Para realizar el control se utilizan dos variables, el error
y la variación del error. Cada una de estas variables
está asociada a un conjunto borroso formado por cinco
funciones de pertenencia de forma triangular.
Previendo la implementación del control mediante un
DSP y para simplificar los cálculos,
las funciones de
pertenencia se han escogido de pendiente unitaria.
Inferencia
La inferencia se ha realizado por el método de mínimo-
máximo. El control evaluará el error y la variación del
error, para calcular la duración de los pulsos que se
aplicarán a la salida. Las relaciones entre estos
parámetros se muestran en la tabla 1.
Leyenda:
(1) Si Error = EN
y
DError = DEN
entonces
Salida = OZ
(2) Si Error = EN
y
DError = DNS
entonces
Salida = OZ
EN
Þ
Error Negativo
DEN
Þ
Variación del
Error Negativo
EPS
Þ
Error Positivo Pequeño
1
a
l
b
a
T
r
o
r
r
E
r
o
r
r
E
D
N
E
D
S
N
D
Z
E
D
S
P
E
D
P
E
D
N
E
Z
O
Z
O
Z
O
Z
O
Z
O
S
N
Z
O
Z
O
Z
O
Z
O
Z
O
Z
E
Z
O
Z
O
Z
O
Z
O
S
O
S
P
E
S
O
S
O
S
O
S
O
B
O
P
E
B
O
B
O
B
O
B
O
B
O
9
Desemborronado
El desemborronado se ha realizado por el método del
máximo. El sistema para encontrar el máximo ha sido
mediante comparaciones.
SIMULACIÓN
Simulación con carga resistiva
Para la simulación con carga resistiva, se usó un valor
de resistencia de 5
W
por fase.
El
resultado obtenido por cada fase en cuanto al
voltaje de salida se muestra en la figura 6.
Formas de onda de voltaje de salida en
cada fase.
En este resultado se aprecia que las formas de onda
son trifásicas, de la misma amplitud para una
frecuencia fija de 60 Hz. La sumatoria de los voltajes
es cero, lo que da una idea del balance de las fases.
El resultado de
aplicarle la transformada rápida de
Fourier a estas señales de voltaje, se muestra en la
figura 7.
No aparecen armónicos de orden superior, y
la amplitud de las señales
es solo apreciable para la
frecuencia fundamental.
Asimismo se halló la distorsión armónica total de cada
uno de los voltajes (figura 8).
6
Transformada rápida de Fourier aplicada a las
señales de voltaje.
7
Formas de onda de las corrientes de salida en cada fase.
Distorsión armónica de las señales de voltaje de cada fase.
La distorsión armónica se encuentra entre 0,01 % y
0,02 %, intervalo de valores muy buenos para estos
casos, según reportes de la literatura técnica.
Simulación con carga inductiva
Se utiliza un esquema similar al del caso resistivo,
pero con una inductancia (0,001 5 H) y una resistencia
(0,5
W
) en serie, en las tres fases. El
resultado de la
corriente de salida por fase se muestra en la figura 9.
Se aprecian formas de onda trifásicas, balanceadas,
de la misma amplitud para una frecuencia fija de
60 Hz.
La aplicación de la transformada rápida de
Fourier a estas señales de corriente, se muestra en la
figura 10. No aparecen armónicos y es solamente
apreciable la señal de la frecuencia fundamental.
9
8
10
La figura 11, muestra que la distorsión armónica es
aproximadamente 0,02 %.
Aplicación de la transformada de Fourier a las señales de
voltaje.
REFERENCIAS
1. Rafecas, J.:
Diseño e implementación de un
ondulador monofásico
de onda completa
controlado con lógica Fuzzy
, Universidad
Politécnica de Catalunya, 2002.
2. LIN:
Analysis of Fuzzy Inverter Control,
ETEP,
Vol. 5, No. 4, july/august, 1995.
3. Beierke, Königbauer and Krause Von Altrock:
Enhanced Control of an Alternating Current Motor
Using Fuzzy Logic and a TMS320 Digital Signal
Processor
, Texas Instruments, Dallas, USA, 1996.
4. Maussion, Grandpierre and Haceucher:
On the
Way to Real
Time Fuzzy Control of a PWM Source
Inverter with Nonlinear Loads
. The European Power
Electronics Association, 1993.
5.Uddin, M.; S. Radwan and M. Rahman:
Performance of Novel Fuzzy Logic Based
Indirect Vector Control for Induction
Motor
Drive
,
2000.
AUTORES
Agustín Garzón Carbonell
Ingeniero Electricista, Máster en Ciencias en
Automática, CEDAI, Santiago de Cuba, Cuba
e-mail: garzon032@yahoo.es
Modesto Angulo Aguilera
Ingeniero Electricista, Doctor en Ciencias Técnicas,
Profesor
Auxiliar,
Facultad
de
Ingeniería
Eléctrica, Universidad de Oriente, Santiago de
Cuba, Cuba
e-mail: angulo@ee.fie.uo.edu.cu
Ariel Domínguez Cardosa
Ingeniero Electricista, Profesor Auxiliar, Facultad
de Ingeniería Eléctrica, Universidad de Oriente, San-
tiago de Cuba, Cuba
e-mail: arield@ee.fie.uo.edu.cu
10
CONCLUSIONES
1. Se han obtenido corrientes y voltajes con formas
de onda trifásicas, sinusoidales con amplitud y
frecuencia constantes para distintas cargas: resistiva
e inductiva, con baja distorsión armónica (0,01 % a
0,02 %), a partir de un ondulador trifásico controlado
con lógica difusa.
2. Se demuestra la posibilidad de implementar el con-
trol borroso en una DLL en C.
3.Se valida el uso de la modulación PWM para obtener
salidas (voltajes y corrientes) con formas de onda
sinusoidales de gran calidad.
Distorsión armónica de las señales de corriente de cada fase.
11
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