Diseño y análisis de desempeño de un inversor de voltaje utilizando controladores inteligentes
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DISEÑO Y ANÁLISIS DE DESEMPEÑO DE UN INVERSOR
DE VOLTAJE UTILIZANDO CONTROLADORES
INTELIGENTES
Juan Salazar
ESCUELA POLITÉCNICA DEL EJÉRCITO
DEPARTAMENTO DE ELÉCTRICA Y ELECTRÓNICA
2012
CONTENIDO
INTRODUCCIÓN DISEÑO INVERSOR MONOFÁSICO SPWM DISEÑO DE CONTROLADORES RESULTADOS CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
INTRODUCCIÓN
Un inversor de tensión es un equipo que
convierte la energía almacenada o
producida en DC, en corriente alterna
Los inversores no son capaces de proporcionar un
voltaje sinusoidal puro.
Se requiere de una estrategia de
control que permita entregar a la carga
voltaje sin componentes
armónicas
Los sistemas inteligentes, permiten el control de sistemas no lineales como es el caso de los equipos de potencia
OBJETIVOS
Diseñar un controlador inteligente, para un inversor de tensión monofásico, utilizando las herramientas del software MATLAB, a fin de analizar su desempeño frente a condiciones de carga lineal y no lineal.
OBJETIVO GENERAL
OBJETIVOS ESPECÍFICOS
Modelar un inversor de tensión monofásico utilizando las herramientas del software MATLAB.
Diseñar un controlador inteligente basado en redes neuronales para el inversor de tensión monofásico.
Diseñar un controlador lógico difuso para el inversor de tensión monofásico
Determinar el desempeño del inversor, utilizando los controladores inteligentes, difuso y por redes neuronales
CONTENIDO
INTRODUCCIÓN DISEÑO INVERSOR MONOFÁSICO SPWM DISEÑO DE CONTROLADORES RESULTADOS CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
El inversor monofásico propuesto consta de tres etapas:
Generador PWM Etapa de potencia Filtro
+-
INVERSOR PUENTE COMPLETO
Generador PWM
Señal de conmutación
Onda Portadora
Etapa de Potencia Etapa de Filtrado
Etapa de Modulación
PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO INVERSOR MONOFÁSICO PUENTE COMPLETO SPWM
GENERADOR PWM
Onda Portadora
Onda de Referencia
Salida PWM
-
El generador PWM es el encargado de entregar la señal de conmutación a los dispositivos semiconductores de potenciaPara la generación de pulsos se utiliza la modulación SPWM la cual consiste en comparar una onda senoidal de referencia con una onda portadora triangular de alta frecuencia.
MODULACIÓN SPWM Los parámetros que caracterizan a la modulación senoidal
por ancho de pulso son el índice de modulación en frecuencia y amplitud
𝑚𝑎=𝑈𝑚
𝑈𝑐=1
𝑚𝑓=𝑓 𝑐𝑓 𝑚
=100
Índice de modulación en amplitud
Índice de modulación en frecuencia
V
ETAPA DE POTENCIA
La etapa de potencia consta de los dispositivos semiconductores de conmutación, en este caso se modeló un sistema de conversión DC/AC tipo puente completo.
Vsa bCARGA
ETAPA DE POTENCIA
Vsa bCARGA
𝑣𝑎=¿𝑣𝑏=¿
𝑣𝑐=(𝑣¿¿𝑎−𝑣𝑏)¿
Onda Portadora
Onda de Referencia
Salida PWM
-
FILTRO Para obtener una forma de onda sinusoidal pura. Se
necesitan filtros, generalmente LC pasa-bajos que eliminan las componentes armónicas que se presentan en bandas laterales a la frecuencia de la onda portadora.
PARÁMETROS INVERSOR
Parámetro Valor Unidad
Frecuencia de Conmutación, fc 6 KHz
Tensión nominal de salida 48
Frecuencia nominal de salida 60 Hz
Inductancia del filtro, Lf 200
Resistencia del inductor, Rf 0.02
Capacitor del filtro, Cf 50
PARÁMETRO DE CALIDAD
DISTORSIÓN ARMÓNICA TOTAL
Toma en cuenta el valor eficaz de todas las armónicas presentes, respecto de la fundamental.
CARGA NO LINEAL Para la medición de eficiencia del inversor
bajo condiciones de carga crítica se diseñó un sistema no lineal el cual consta de un rectificador acompañado de cargas resistivas, capacitivas e inductivas
𝑖𝑑= 0𝑢𝑑<0.7𝑢𝑑−0.7𝑅𝑜
𝑢𝑑≥0.7
MODELO MATEMÁTICO DEL INVERSOR EN SIMULINK
CONTENIDO
INTRODUCCIÓN DISEÑO INVERSOR MONOFÁSICO SPWM DISEÑO DE CONTROLADORES RESULTADOS CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
CONTROL PI El controlador PI sirve como modelo de
referencia para la construcción de los controladores inteligentes.
+-- +-
INVERSOR
+++-
Variable Manipulada: Onda moduladoraVariable controlada: Tensión de Salida
CONTROL PI El controlador PI actúa sobre la onda de
referencia u onda moduladora modificando el índice de modulación para compensar las corrientes armónicas que trabajan en los múltiplos de la frecuencia portadora de 6KHz.
Ganancia Valor45603500
MODELO SIMULINK CONTROL PI
CONTROL POR RNA El controlador PI se utilizó como modelo de referencia
para la obtención de los parámetros de entrenamiento de la red neuronal.
Las entradas utilizadas son las siguientes:
Corriente de capacitor Corriente de carga Tensión de salida Error entre tensión de salida y tensión de referencia
La salida de la red neuronal actúa como señal moduladora compensada para la reducción de armónicos
+-
INVERSOR PUENTE COMPLETO
Generador PWM
Señal de conmutación
Onda Portadora
+-
PASOS PARA LA ELABORACIÓN DEL CONTROLADOR NEURONAL
• Construir el controlador PI. • Para cada condición de carga, recolectar la salida de
tensión, corriente de carga, y corriente de capacitor como entradas de la RNA, y la señal de compensación como salida
• Seleccionar una estructura de red neuronal que sea simple y además suficiente para el control adecuado del inversor
• Entrenar la red neuronal y generar el controlador
MODELO SIMULINK CONTROLADOR RNA
CONTROLADOR DIFUSO
El controlador difuso suprime armónicos del inversor modificando la señal moduladora
El controlador difuso diseñado actúa como controlador PD utilizando las variables de entrada:
Error (V) Cambio de error (V/S)
Error(V) ∆error(V/S)
Salida
Mínimo -0.5097 -5825 -200
Máximo 0.5710 5963 200
BASE DE REGLAS CONTROLADOR DIFUSO
Error
∆error
GN PN Z PP GP
GN GN GN GN PN ZPN GN GN PN Z PPZ GN PN Z PP GPPP PN Z PP GP GPGP Z PP GP GP GP
MODELO SIMULINK CONTROLADOR DIFUSO
CONTENIDO
INTRODUCCIÓN DISEÑO INVERSOR MONOFÁSICO SPWM DISEÑO DE CONTROLADORES RESULTADOS CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
INVERSOR MODELO MATEMÁTICO SIN CONTROLADOR
CARGA RESISTIVA 40Ω
THD: 1.59%
CARGA NO LINEAL
THD: 4.38%
INVERSOR MODELO MATEMÁTICO CONTROL PI
CARGA NO LINEAL
THD: 0.24%
CARGA RESISTIVA 40Ω
THD: 0.11%
INVERSOR MODELO MATEMÁTICO CONTROL RNA
CARGA RESISTIVA 40Ω
THD: 0.08%
CARGA NO LINEAL
THD: 0.085%
INVERSOR MODELO MATEMÁTICO CONTROL DIFUSO
CARGA NO LINEAL
THD: 0.085%
CARGA RESISTIVA 40Ω
THD: 0.067%
RESUMEN RESULTADOS MODELO MATEMÁTICO CARGA LINEAL
Tipo de Carga
Impedancia THD% Sin
Control
THD%PI
THD%
RNA
THD%
FLCR 40 Ω 1.59 0.11 0.08 0.08
RL40 Ω-0.1mH 1.58 0.28 0.07 0.0740 Ω-1mH 1.42 0.25 0.10 0.09
40 Ω-10mH 1.30 1.13 1.08 1.08
RC
40 Ω-10uF 1.43 0.21 0.10 0.0940 Ω-100uF 0.96 0.33 0.11 0.10
40 Ω-1000uF
1.01 0.26 0.10 0.09
RESUMEN RESULTADOS MODELO MATEMÁTICO CARGA NO LINEAL
Tipo de Carga
Impedancia
THD% Sin
Control
THD%PI
THD%
RNA
THD%
FLC
R 40 Ω 4.38 0.24 0.06 0.09RL 40 Ω-0.1mH 4.37 0.17 0.08 0.07
40 Ω-1mH 4.37 0.19 0.06 0.0840 Ω-10mH 4.51 0.17 0.06 0.08
RC
40 Ω-10uF 3.87 0.07 0.05 0.0740 Ω-100uF 4.77 0.09 0.07 0.09
40 Ω-1000uF
4.85 0.10 0.07 0.08
INVERSOR MODELO TRANSISTOR SIN CONTROLADOR
CARGA NO LINEAL
THD: 25%
CARGA RESISTIVA 40Ω
THD: 2%
INVERSOR MODELO TRANSISTOR CONTROL PI
CARGA NO LINEAL
THD: 2.04%
CARGA RESISTIVA 40Ω
THD: %0.06
INVERSOR MODELO TRANSISTOR CONTROL RNA
CARGA NO LINEAL
THD: 1.11%
CARGA RESISTIVA 40Ω
THD: 0.13%
INVERSOR MODELO TRANSISTOR CONTROL DIFUSO
CARGA NO LINEAL
THD: 0.30%
CARGA RESISTIVA 40Ω
THD: %0.05
RESUMEN RESULTADOS MODELO TRANSISTOR CARGA LINEAL
Tipo de Carga
Impedancia THD% Sin
Control
THD% PI
THD%
RNA
THD%
FLC
R 40 Ω 1.27 0.06 0.13 0.05RL 40 Ω-0.1mH 1.27 0.06 0.07 0.05
40 Ω-1mH 1.28 0.07 0.29 0.0540 Ω-10mH 1.61 0.07 0.08 0.05
RC
40 Ω-10uF 1.30 0.06 0.06 0.0740 Ω-100uF 1.27 0.06 0.07 0.07
40 Ω-1000uF 1.27 0.06 0.07 0.07
RESUMEN RESULTADOS MODELO TRANSISTOR CARGA NO LINEAL
Tipo de Carga
Impedancia THD% Sin
Control
THD% PI
THD% RNA
THD%
FLCR 40 Ω 24.22 2.04 1.11 0.30
RL 40 Ω-0.1mH 24.22 1.95 1.14 0.3040 Ω-1mH 24.22 1.94 1.14 0.30
40 Ω-10mH 24.23 1.65 1.15 0.30RC
40 Ω-10uF 24.50 1.78 1.04 0.06
40 Ω-100uF 24.35 1.74 1.02 0.2740 Ω-1000uF 24.24 1.69 1.05 0.30
RESPUESTA TEMPORAL
Sin Controlador
Control PI
RESPUESTA TEMPORALControlador Neuronal
Control Difuso
CONTENIDO
INTRODUCCIÓN DISEÑO INVERSOR MONOFÁSICO SPWM DISEÑO DE CONTROLADORES RESULTADOS CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
CONCLUSIONES El control de un inversor, con modulación SPWM,
se realiza variando la onda moduladora. Lo cual compensa el ancho de pulso ante perturbaciones como corrientes armónicas o cambios de carga.
El controlador PI diseñado es utilizado como
modelo de referencia para para el diseño de los controladores inteligentes, principalmente para la obtención de patrones de entrenamiento del controlador neuronal.
CONCLUSIONES El controlador neuronal imita el comportamiento
del controlador PI, sin embargo tiene la capacidad de trabajar con cargas para las que no fue diseñado y controlar sistemas no lineales de forma eficiente.
Con controlador PD difuso se obtuvo el mejor desempeño para la reducción de la distorsión armónica total tanto para sistemas con carga lineal como para cargas no lineales, sin embargo debido a la precisión que posee para regular armónicos, se pierde la velocidad de reacción al existir un cambio drástico de carga.
CONCLUSIONES Las alternativas de control diseñadas presentan
nuevas tecnologías para la regulación de tensión de sistemas inversores principalmente para el campo de la alimentación ininterrumpida UPS ya que estos sistemas necesitan ondas sinusoidales puras a bajas frecuencias con la menor cantidad de componentes armónicos además de asegurar su funcionamiento con cargas críticas.
RECOMENDCIONES El tiempo de simulación es un aspecto clave al
momento del diseño de los controladores utilizando MATLAB, se debe considerar tiempos adecuados para la obtención de la respuesta deseada.
Ampliar el conocimiento de las técnicas de control para sistemas de potencia. Así como el estudio de controladores inteligentes para el control de sistemas eléctricos.
Realizar futuras investigaciones sobre controladores inteligentes aplicados a inversores trifásicos, multinivel y con modulación vectorial por ancho de pulso.
GRACIAS