PONTIFICIA UNIVERSIDAD CATÓLICA DE VALPARAÍSO ESCUELA DE INGENIERÍA ELÉCTRICA ESTUDIO DE UN NUEVO SISTEMA ININTERRUMPIBLE DE ENERGÍA (UPS) BASADO EN DOS INVERSORES ALIMENTADOS EN TENSIÓN (VSI) CONFIGURADOS ESPALDA CON ESPALDA ESTEBAN GABRIEL ARANCIBIA OPAZO INFORME FINAL DEL PROYECTO PRESENTADO EN CUMPLIMIENTO DE LOS REQUISITOS PARA OPTAR AL TITULO PROFESIONAL DE INGENIERO ELÉCTRICO Julio 2004
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PONTIFICIA UNIVERSIDAD CATÓLICA DE VALPARAÍSO ...lep.eie.pucv.cl/tesisggarancibia.pdfA-5 TABLA DE ALAMBRES ESMALTADOS A-4 A-6 HOJA DE DATOS IRG4BC20U A-5 A-7 HOJA DE DATOS MUR1560
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PONTIFICIA UNIVERSIDAD CATÓLICA DE VALPARAÍSO
ESCUELA DE INGENIERÍA ELÉCTRICA
ESTUDIO DE UN NUEVO
SISTEMA ININTERRUMPIBLE DE ENERGÍA (UPS)
BASADO EN DOS INVERSORES ALIMENTADOS EN TENSIÓN (VSI)
CONFIGURADOS ESPALDA CON ESPALDA
ESTEBAN GABRIEL ARANCIBIA OPAZO
INFORME FINAL DEL PROYECTO
PRESENTADO EN CUMPLIMIENTO
DE LOS REQUISITOS PARA OPTAR
AL TITULO PROFESIONAL DE
INGENIERO ELÉCTRICO
Julio 2004
ESTUDIO DE UN NUEVO
SISTEMA ININTERRUMPIBLE DE ENERGÍA (UPS)
BASADO EN DOS INVERSORES ALIMENTADOS EN TENSIÓN (VSI)
La Comisión Calificadora designada por la Escuela de Ingeniería Eléctrica ha aprobado el texto del Informe Final del Proyecto de Titulación desarrollado entre el primer semestre de 2002 y el primer semestre de 2003, y denominado
ESTUDIO DE UN NUEVO SISTEMA ININTERRUMPIBLE DE ENERGÍA (UPS)
BASADO EN DOS INVERSORES ALIMENTADOS EN TENSIÓN (VSI)
CONFIGURADOS ESPALDA CON ESPALDA.
Presentado por el Señor
ESTEBAN GABRIEL ARANCIBIA OPAZO
DOMINGO RUIZ CABALLERO
Profesor Guía
LEOPOLDO RODRÍGUEZ RUBKE
Segundo Revisor
RAIMUNDO VILLARROEL VALENCIA
Secretario Académico
Valparaíso, Julio 2004
DEDICATORIA
ESTUDIO DE UN NUEVO
SISTEMA ININTERRUMPIBLE DE ENERGÍA (UPS)
BASADO EN DOS INVERSORES ALIMENTADOS EN TENSIÓN (VSI)
CONFIGURADOS ESPALDA CON ESPALDA
Esteban Gabriel Arancibia Opazo
Profesor Guía: Sr. Domingo Ruiz Caballero
RESUMEN
A través de este informe se estudia la proyección de un sistema
ininterrumpible de energía de un kVA, por medio de una nueva alternativa de
diseño. Esta nueva alternativa se basa en la interacción de dos inversores
alimentados en tensión configurados espalda con espalda. Esto garantiza una
mayor eficiencia de los sistemas ininterrumpibles de energía mejorando el factor
de potencia, y proporcionando una mejor calidad de suministro de energía a las
cargas a respaldar y proteger.
Además se realiza una comparación del sistema estudiado con los
actuales sistemas ininterrumpibles de energía existentes en el mercado, a través
de un análisis costo-beneficios, lo que permite determinar qué alternativa otorga
mayores beneficios en un plazo determinado de tiempo, comparando el sistema
estudiado con otro de igual potencia.
ÍNDICE
Pág.ÍNDICE
INTRODUCCIÓN 1
CAPÍTULO 1 2SISTEMAS ININTERRUMPIBLES DE ENERGÍA 21.1 INTRODUCCIÓN 21.2 CONFIGURACIONES CONOCIDAS DE UPS NO
ESTANDARIZADAS2
1.3 SISTEMAS ON LINE 31.3.1 Configuración Básica 31.3.2 Configuración con Llave de Transferencia 41.3.3 Configuración On-Line con Cargador Separado 41.3.4 Configuración On-Line con Cargador Separado y Convertidor CC-
CC Elevador5
1.3.5 Configuración On-Line con Procesamiento Paralelo 51.4 SISTEMAS OFF-LINE 61.4.1 Configuración Típica 61.4.2 Configuración Off-Line Tri-Port 71.5 CONFIGURACIONES ESTANDARIZADAS DE UPS 81.6 LA NECESIDAD PARA UN NUEVO ESTÁNDAR 91.6.1 Diversificación en Tipos de UPS 91.6.2 Terminología Imprecisa y Errónea 101.6.3 UPS "On-Line" (o "sobre-línea") 101.6.4 UPS "OFF-LINE" (o "fuera-de-línea") 121.6.5 Otros Términos 131.7 EL NUEVO ESTÁNDAR 131.8 TOPOLOGÍAS ESTANDARIZADAS DE UPS 141.8.1 Principios de Operación de la "UPS Fijación Pasiva (Passive
Standby)"15
1.8.2 Principios de Operación de la "UPS Línea Interactiva (Line Interactive)"
17
1.8.3 Principios de Operación de la "UPS de Conversión Doble(Double Conversion)"
19
CAPÍTULO 2 23COMPONENTES DE UNA UPS Y SU OPERACIÓN 232.1 INTRODUCCIÓN 232.2 AISLAMIENTO EN LAS UPS 232.2.1 Aislamiento por Transformador de Baja Frecuencia 242.2.2 Aislamiento por Transformador de Alta Frecuencia 25
vi
2.3 BATERÍAS 252.3.1 Nomenclaturas 262.3.2 Factores que Influyen en la Vida Útil de las Baterías 282.4 CARGADORES DE BATERIAS 292.4.1 Rectificador Controlado de Baja Frecuencia 292.4.2 Convertidor CC-CC Reductor en Alta Frecuencia 292.4.3 Convertidor CC-CC Aislado con Ecualización de las Baterías 302.4.4 Cargadores con Corrección de Factor de Potencia 312.5 INVERSORES 322.5.1 Inversor Push-Pull 322.5.2 Inversor Medio Puente 332.5.3 Inversor Puente Completo 342.6 REGULACIÓN DE CARGA 342.6.1 Control de la Tensión de Barra 352.6.2 Control de la Tensión Empleando Modulación PWM 352.6.3 Control PWM en Baja Frecuencia 362.6.4 Control PWM en Alta Frecuencia 372.7 CONTROL DE LA TENSIÓN DE CARGA DESPUÉS DEL
INVERSOR38
2.7.1 Transformador Multi-Bobinados 382.7.2 Filtro Ferro Resonante 392.8 LLAVE DE TRANSFERENCIA 392.8.1 Sistema de Doble Conversión Aislado 402.8.2 Sistema de Doble Conversión no Aislado 402.8.3 Sistema de Fijación Pasiva 412.9 UPS PROYECTADA 41
CAPÍTULO 3 43FILTRO ACTIVO PARALELO (FAP) 433.1 INTRODUCCIÓN 433.2 EL FILTRO ACTIVO PARALELO (FAP) 443.3 ESTUDIO ANALÍTICO 473.3.1 Inductor LC1 493.3.2 Función de Transferencia ∆ILc1(s) / ∆d1(s) 523.3.3 Ecuaciones de los Controladores del Filtro 533.4 RESULTADOS DE DISEÑO 573.5 RESULTADOS DE SIMULACIÓN 59
CAPÍTULO 4 66FILTRO ACTIVO SERIE (FAS)/ ESTABILIZADOR DE TENSIÓN 664.1 INTRODUCCIÓN 664.2 CONFIGURACIÓN DEL FILTRO ACTIVO SERIE DE TENSIÓN 674.3 ESTUDIO ANALÍTICO 694.3.1 Inductor LC2 714.3.2 Función de Transferencia ∆VC
*(S) / ∆d2(S) 76
vii
4.3.3 Ecuaciones de los Controladores del Filtro 774.4 RESULTADOS DE DISEÑO 784.5 RESULTADOS DE SIMULACIÓN 814.6 GRÁFICAS DE LAS FORMAS DE ONDA 83
CAPÍTULO 5 89UPS TIPO UPQC 895.1 INTRODUCCIÓN 895.2 INTERCONECCIÓN DE LOS INVERSORES 905.2.1 Transformador de Aislamiento 915.2.2 Cambios en los Circuitos de Control 915.2.3 Problemas con la Tensión de Referencia del FAS 965.2.4 Ubicación de la Llave de Transferencia 1015.3 CIRCUITO DETECTOR DE PRESENCIA DE RED 1025.4 RESULTADOS DE SIMULACIÓN 104
CAPÍTULO 6 110PROYECTO FÍSICO 1106.1 INTRODUCCIÓN 1106.2 DATOS NECESARIOS PARA EL PROYECTO F ÍSICO 1106.3 BOBINAS DEL SISTEMA 1106.3.1 Tipos de Núcleos a Utilizar 1116.3.2 Cálculo del Número de Espiras 1126.3.3 Longitud del Entrehierro 1126.3.4 Sección del Conductor 1126.3.5 Resultados Obtenidos para las Diferentes Bobinas del Sistema 1146.4 DISIPADOR 1146.5 ELEMENTOS DEL CIRCUITO A CONSTRUIR 118
CAPÍTULO 7 120ANÁLISIS COSTO-BENEFICIO 1207.1 INTRODUCCIÓN 1207.2 ALGUNAS UPS EXISTENTES EN EL MERCADO CHILENO 1217.3 ESTUDIO DE INGENIERÍA 1227.4 COSTOS OPERACIONALES 1247.5 CRITERIO DEL VALOR ACTUAL NETO 1267.6 RAZÓN BENEFICIOS – COSTOS 128
CONCLUSIÓNES GENERALES 133
BIBLIOGRAFÍA 134
APÉNDICE A A-1HOJA DE DATOS DE LOS COMPONENTES A-1A-1 NÚCLEOS DE FERRITA TIPO E DE THORNTON. A-2
viii
A-2 POTENCIA V/S DENSIDAD DE CORRIENTE A-3A-3 FACTORES DE ENRROLLAMIENTO Y DE UTILIZACIÓN DE LA
VENTANA EN INDUCTORESA-3
A-4 FACTORES DE ENRROLLAMIENTO Y DE UTILIZACIÓN DE LA VENTANA EN TRANSFORMADORES
A-3
A-5 TABLA DE ALAMBRES ESMALTADOS A-4A-6 HOJA DE DATOS IRG4BC20U A-5A-7 HOJA DE DATOS MUR1560 A-13
ÍNDICE DE FIGURAS
Pág.
Figura 1.1 Configuración básica UPS On-Line. 3Figura 1.2 Configuración con llave de transferencia. 4Figura 1.3 Configuración On-Line con cargador separado. 4Figura 1.4 Configuración con cargador separado y convertidor CC-CC
elevador.5
Figura 1.5 Configuración On-Line con procesamiento paralelo. 6Figura 1.6 Configuración típica de los sistemas Off-Line. 7Figura 1.7 Configuración Off-Line Tri-Port. 7Figura 1.8 UPS On-Line. 11Figura 1.9 UPS Off-Line. 12Figura 1.10 Modos de operación de UPS de Fijación Pasiva. 15Figura 1.11 Modos de operación de UPS de Interacción con la Línea. 17Figura 1.12 Modos de operación de UPS de Conversión Doble. 20Figura 2.1 Modos de conexión del transformador de baja frecuencia. 24Figura 2.2 Modos de utilización del aislamiento en alta frecuencia. 25Figura 2.3 Rectificador controlado de baja frecuencia. 30Figura 2.4 Cargador reductor en alta frecuencia. 30Figura 2.5 Cargador flyback con ecualización. 31Figura 2.6 Cargador elevador con corrección del factor de potencia. 32Figura 2.7 Inversor Push-Pull. 33Figura 2.8 Inversor medio puente. 33Figura 2.9 Inversor puente completo. 34Figura 2.10 Regulación por control de la tensión de barra. 35Figura 2.11 Inversor medio puente con regulación por modulación PWM. 36Figura 2.12 Regulación PWM en baja frecuencia. 36Figura 2.13 Generación de la señal PWM senoidal de tres niveles de
tensión.37
Figura 2.14 Regulación con transformador multi-devanados. 38Figura 2.15 Regulación con transformador ferro-resonante. 39Figura 2.16 Llave de transferencia en sistemas de doble conversión
aislados.40
Figura 2.17 Llave de transferencia en sistemas de doble conversión no aislados.
41
Figura 2.18 Llave de transferencia en sistemas de fijación pasiva. 41Figura 2.19 Sistema UPS tipo UPQC. 42Figura 3.1 Diagrama en bloque de la UPS con FAP. 43Figura 3.2 Configuración del FAP. 44Figura 3.3 Ondas del filtro activo paralelo. 44Figura 3.4 FAP propuesto. 45Figura 3.5 Estrategia de control del FAP. 46Figura 3.6 Modulación a tres niveles de tensión para comando de
interruptores.47
Figura 3.7 Etapas de operación para PWM de tres niveles de tensión (para semiciclo positivo de la corriente de red).
48
Figura 3.8 Variación de la razón cíclica del FAP. 51
x
Figura 3.9 Variación de la ondulación en L C1 en función del tiempo con MI1 de parámetro.
52
Figura 3.10 Modelo de grandes señales para el FAP. 52Figura 3.11 Red de compensación utilizada en el FAP. 54Figura 3.12 Circuito que describe la ganancia del amplificador
operacional del compensador.56
Figura 3.13 Circuito que permite obtener la ganancia del modulador. 56Figura 3.14 Tipos de cargas simuladas con el FAP. 57Figura 3.15 Diagrama de Bode en magnitud del FAP. 58Figura 3.16 Diagrama de Bode en fase del FAP. 59Figura 3.17 Circuito de potencia del sistema. 60Figura 3.18 Circuito de control del FAP. 60Figura 3.19 Circuito del lazo de tensión del FAP. 61Figura 3.20 Circuito de potencia del FAP. 61Figura 3.21 Corrientes involucradas en el FAP. 63Figura 3.22 Tensión y corriente de red para las diferentes cargas. 63Figura 3.23 Tensión VF cuando actúa el compensador de tensión, gráfica
en formato original y amplificada.64
Figura 3.24 Simulaciones con controlador PID. 64Figura 3.25 Contenido armónico antes de incorporar FAP. 65Figura 3.26 Contenido armónico después de incorporar FAP. 65Figura 4.1 Diagrama en bloques del sistema UPS tipo UPQC. 66Figura 4.2 Configuración del FAS. 67Figura 4.3 Filtro activo serie propuesto. 68Figura 4.4 El FAS y su estrategia de control. 69Figura 4.5 El circuito modulador y las señales de comando de los
interruptores, y la tensión del inversor.70
Figura 4.6 Etapas de operación de un inversor de 2 niveles de tensión. 70Figura 4.7 Circuito simplificado del Filtro Activo Serie. 72Figura 4.8 Ganancia del sistema para diferentes índices de modulación. 74Figura 4.9 Accionamiento de los interruptores. 75Figura 4.10 Ondulación de corriente en LC2. 75Figura 4.11 Circuito del controlador PID utilizado en el FAS. 77Figura 4.12 Tipos de cargas simuladas con el FAS. 79Figura 4.13 Diagramas de Bode en magnitud del controlador GC3(s), la
planta GPLANTA2(s) y el sistema GFAS(s).80
Figura 4.14 Diagramas de Bode en fase del controlador GC3(s), la planta GPLANTA2(s) y el sistema GFAS(s).
81
Figura 4.15 Circuito de potencia del sistema. 82Figura 4.16 Circuito de control del FAS. 82Figura 4.17 Circuito de potencia del FAS. 83Figura 4.18 Formas de onda de la tensión de entrada, la resultante
distorsionada VRED, la componente fundamental VS1 y las componentes armónicas 5ª, 7ª y 9ª.
84
Figura 4.19 Tensiones VSH5 + VSH7 +VSH9 y ∆V. 85Figura 4.20 Formas de onda para carga resistiva pura. 86Figura 4.21 Componentes de Fourier de tensión VRED 86Figura 4.22 Componentes de Fourier de corriente de red 87Figura 4.23 Componentes de Fourier de tensión de carga. 87Figura 4.24 Tensión de red (fundamental) v/s Tensión de carga. 88Figura 5.1 Diagrama en bloques del sistema UPS. 90Figura 5.2 Ubicación del transformador desacoplador de referencias. 92
xi
Figura 5.3 Sistema de potencia de la UPS-UPQC. 92Figura 5.4 Diagrama de bode en fase del FAP. 94Figura 5.5 Acercamiento de la figura anterior. 94Figura 5.6 Diagrama de bode en fase del FAS. 95Figura 5.7 Circuito de control del FAS. 96Figura 5.8 Diagrama en bloques del PLL. 97Figura 5.9 Circuito del detector de fase. 97Figura 5.10 Etapas del detector de fase. 98Figura 5.11 Diagrama del VCO implementado. 99Figura 5.12 Simulación del VCO. 99Figura 5.13 Circuito completo del PLL. 100Figura 5.14 Resultado de simulación del PLL. 100Figura 5.15 Circuito de potencia del sistema con Llave de transferencia. 101Figura 5.16 Ubicación de la llave de transferencia auxiliar. 102Figura 5.17 Circuito detector de presencia de red. 103Figura 5.18 Simulación del circuito detector de presencia de red. 103Figura 5.19 Formato de onda de la tensión de alimentación. 104Figura 5.20 Emulación de un disturbio tipo swell en la tensión de
alimentación.105
Figura 5.21 Problemas debido a la falta de llave auxiliar de transferencia. 107Figura 5.22 Sistema operando como UPQC. 107Figura 5.23 Sistema operando como UPS-UPQC. 108Figura 5.24 Corriente de red y tensión de carga del sistema. 108Figura 5.25 Resultados del sistema para disturbio tipo swell. 109Figura 5.26 UPS-UPQC operando con lazo de tensión. 109Figura 6.1 Circuito de potencia del sistema. 111Figura 6.2 Circuito de potencia de los filtros con semiconductores. 114Figura 6.3 Circuito térmico del disipador. 115
ÍNDICE DE TABLAS
Pág.
Tabla 3.1 Resultados de los valores obtenidos para el FAP 58Tabla 6.1 Corrientes y tensiones a soportar por los dispositivos. 110Tabla 6.2 Resultados del diseño de la bobinas. 114Tabla 6.3 Resultados de las pérdidas totales de los semiconductores. 117Tabla 6.4 Dispositivos del sistema de potencia. 118Tabla 6.5 Dispositivos del circuito de potencia de los filtros. 119Tabla 6.6 Dispositivos del circuito de control de los filtros. 119Tabla 6.7 Dispositivos del circuito detector de presencia de red. 119Tabla 7.1 Tabla comparativa de UPS en el mercado Chileno. 121Tabla 7.2 Materias primas del circuito de potencia del sistema. 122Tabla 7.3 Materias primas del circuito de potencia de los filtros activos. 123Tabla 7.4 Materias primas del circuito de control de los filtros activos. 123Tabla 7.5 Materias primas del circuito de detector de presencia de red. 124Tabla 7.6 Mano de obra requerida la producción de UPS – UPQC. 125Tabla 7.7 Insumos requeridos la producción de una UPS – UPQC. 125Tabla 7.8 Resumen de costos totales. 126Tabla 7.9 Valor Actual Neto para diferentes periodos del proyecto. 127Tabla 7.10 Tabla de ahorro por concepto de Factor de Potencia. 130Tabla 7.11 Beneficios por conceptos de respaldo. 130Tabla 7.12 Beneficios por conceptos de protección. 131Tabla 7.13 Beneficios totales obtenidos por la utilización de la UPS-
UPQC.131
Tabla 7.14 Beneficios totales obtenidos por la utilización de la UPS PULSAR EXTREME ONLINE.
132
Tabla 7.15 Tabla comparativa de alternativas de UPS. 132
INTRODUCCIÓN
Con el avance de la electrónica se ha intensificado el aumento en el
número y tipos de cargas críticas y sensibles. Para proteger procesos críticos
para el usuario que posee cargas críticas o sensibles, se desarrollan los
sistemas ininterrumpibles de energía. Actualmente se puede encontrar en el
mercado una enorme cantidad de topologías para las UPS, siglas en inglés de
los sistemas ininterrumpibles de energía.
En el siguiente informe se presenta el estudio de una nueva topología
basada en dos inversores alimentados en tensión que están configurados
espalda con espalda. Estos inversores operan como filtros activos de potencia,
uno como filtro activo paralelo de corrientes armónicas y el otro como filtro activo
serie de tensiones armónicas. Esta configuración de inversores actuando como
filtros activos de potencia se conoce como condicionador unificado de calidad de
potencia (UPQC por sus siglas en inglés, Unified Power Quality Conditioner), el
cual se encarga de suprimir todas las armónicas de corriente que son inyectadas
a la red por las cargas no lineales y de mejorar sustancialmente el suministro de
tensión a la carga suprimiendo la mayoría de los disturbios de tensión presentes
en la alimentación, con lo que el sistema mejora considerablemente la calidad a
suministrar proporcionando un factor de potencia prácticamente unitario. De ahí
el nombre de esta topología.
En este informe entonces se procede a analizar y proyectar este nuevo
tipo de sistema ininterrumpible de energía basado en la topología del
condicionador unificado de calidad de potencia (UPQC), para alimentar cargas
especificadas para un KVA.
CAPÍTULO 1
TOPOLOGÍAS Y ESTÁNDARES DE LAS UPS
1.1 INTRODUCCIÓN
El enfoque de este capítulo está orientado a la descripción de los tipos,
estándares, características y funcionamiento de los sistemas ininterrumpibles de
energía conocidos por sus siglas en inglés de UPS “uninterruptible power
supplies”. En un primer lugar se darán a conocer las diferentes topologías de
UPS que se conocen en el mercado, nombrándolas y explicando sus
características principales de funcionamiento u operación. A continuación se
desarrollará una descripción del estándar IEC 62040-3 y su equivalente europeo
ENV 50091-3, el cual define claramente los tipos estandarizados de las UPS y
los métodos usados para medir su rendimiento, explicando el por qué se trata de
corregir la errada terminología que existe en el mercado de las UPS, dando las
pautas para evitar engaños y fraudes por parte de los suministradores.
Este capítulo, entonces, describe la clasificación de las topologías
conocidas de UPS, las no estandarizadas y las estandarizadas, con el propósito
de aclarar cual es realmente la terminología correcta para las UPS, describiendo
también las ventajas y desventajas que presentan cada una de ellas.
1.2 CONFIGURACIONES CONOCIDAS DE UPS NO ESTANDARIZADAS
Existen diversas configuraciones no estandarizadas de UPS y sus
respectivos modos de operación. Las dos ramas más importantes de UPS no
estandarizadas son:
• Sistemas On-Line
3
• Sistemas Off-Line
A continuación se hará un breve análisis de cada uno de estos sistemas no
estandarizados de UPS, explicando sus diferentes configuraciones conocidas.
1.3 SISTEMAS ON-LINE
La principal característica del sistema “On-Line” es el permanente
funcionamiento del inversor alimentando la carga.
Su utilización es aconsejada en aplicaciones donde exista la necesidad de
una regulación constante de la fuente de alimentación, en locales donde las
fallas y fluctuaciones de la red eléctrica son constantes. En este caso la UPS
desempeña dos papeles: alimentación del equipo en el caso de fallas y
regulación de la tensión de alimentación.
Existen diversas configuraciones posibles para sistemas “On-Line”, entre
ellas se destacan:
1.3.1 Configuración Básica
Está compuesta por tres ítems: rectificador, banco de baterías e inversor. El
rectificador es responsable por la alimentación del inversor y por el cargamento
de las baterías. El inversor retira energía directamente del banco de baterías
para suministrar a la carga. La configuración puede ser observada en la Fig.1.1
Figura 1.1: Configuración básica UPS On-Line.
4
1.3.2 Configuración con Llave de Transferencia.
Es similar a la configuración básica con la inserción de una llave de
transferencia que es responsable de la conexión directa entre la red y la carga
en situaciones de fallas o mantención del equipo, (por ejemplo: cambio de
baterías), esto evita que el usuario corra el riesgo de falta de suministro en las
situaciones arriba ejemplificadas. La configuración puede ser vista en la Fig.1.2.
1.3.3 Configuración On-Line con Cargador Separado.
Esta configuración difiere de la configuración básica por el hecho de
poseer un cargador de baterías independiente. El rectificador de entrada
suministra energía para el inversor mientras el cargador mantiene el nivel de
carga de las baterías. En el caso de falla de la red una llave se encarga de
establecer la conexión entre el banco de baterías y el inversor. Esta
configuración puede ser observada en la Fig.1.3.
Figura 1.2: Configuración con llave de transferencia.
Figura 1.3: Configuración On-Line con cargador separado.
5
Figura 1.4: Configuración con cargador separado y convertidor CC-CCelevador.
1.3.4 Configuración On-Line con Cargador Separado y Convertidor CC-CCElevador
Esta configuración es muy semejante a la configuración anterior. La
principal diferencia está en la presencia de un convertidor CC-CC elevador que
es utilizado para adaptar la tensión del banco de baterías al nivel de la tensión
de barra de entrada del inversor. Esto posibilita la utilización de un banco de
baterías con tensión reducida, lo que implica en un menor número de baterías
conectadas en serie. La configuración puede ser observada en la Fig.1.4.
1.3.5 Configuración On-Line con Procesamiento Paralelo
Esta es una configuración muy interesante por poseer una única etapa de
procesamiento de potencia y reunir en un único convertidor varias funciones.
Para que esto sea posible son utilizadas modernas técnicas de modulación y
control, lo que torna el sistema aún poco difundido. Esta configuración está
compuesta por un inversor bidirecional que, en la situación de presencia de red
funciona como filtro activo de potencia, regulando la tensión de salida y
absorbiendo las armónicas de la corriente de carga. En la falta de la red, el
inversor pasa a suplir la carga con tensión regulada. Esta configuración puede
ser observada en la Fig.1.5.
6
Figura 1.5: Configuración On-Line con procesamiento paralelo.
1.4 SISTEMAS OFF-LINE
Los sistemas “Off-Line” poseen la característica de ser de bajo costo y
reducido número de componentes. Son utilizados normalmente donde no es
necesaria la constante regulación de la tensión de alimentación.
En este tipo de sistema, la carga es normalmente alimentada
directamente por la red eléctrica. En caso de falla, la UPS es conectada a la
carga haciendo que el inversor suministre la energía necesaria para suplir el
equipo. Existen diversas configuraciones posibles para sistemas “Off-Line”,
dentro de ellas se destacan:
1.4.1 Configuración Típica
La carga es suplida directamente por la red y en caso de falla una llave
conecta el inversor a la carga. El rectificador utilizado es de pequeño tamaño y
bajo costo, responsable solamente por el cargamento de las baterías. La
configuración típica puede ser observada en la Fig.1.6.
7
Figura 1.6: Configuración típica de los sistemas Off-Line.
1.4.2 Configuración Off-Line Tri-Port
Esta es una de las configuraciones más simples en términos de electrónica.
Está compuesta por un inversor reversible con transformador de aislamiento. En
operación normal (llave cerrada), la red suple la carga a través del transformador
y suministra energía al bloque rectificador-cargador, encargado de efectuar la
carga de las baterías. En caso de falta de red, el flujo de potencia se invierte y el
inversor pasa a suplir la carga a través del transformador. Esta configuración
puede ser observada en la Fig.1.7.
Figura 1.7: Configuración Off-Line Tri-Port.
8
1.5 CONFIGURACIONES ESTANDARIZADAS DE UPS
Debido al gran aumento en el número y tipos de cargas críticas y
sensibles, el término UPS ahora es utilizado para identificar a los dispositivos
con rangos de potencia variando desde unos pocos cientos de volt-amperes
[VA], diseñadas para proteger el hardware de las computadoras personales o
desktops, hasta varios millones de volt-amperes [MVA], para grandes
computadoras y centros de comunicación.
Al mismo tiempo, las técnicas empleadas se han diversificado y los
nombres usados para los productos en el mercado son muchas veces poco
claros, al punto de ser casi engañosos para los consumidores.
Es por esto que la IEC (International Electrotechnical Comission)
estableció estándares para los diferentes tipos de UPS y los métodos empleados
para medir su rendimiento. Los contenidos de estos estándares fueron
adoptados por el CENELEC (Comité Europeo de Estandarización).
Los tres tipos de UPS estandarizadas son:
• Passive Standby (Fijación pasiva)
• Line-interactive (Interacción con la línea)
• Double conversion (Conversión doble)
Una comparación entre las tres topologías de UPS muestra que la
topología de conversión doble ofrece muchas ventajas, debido principalmente a
la posición de los componentes conectados en serie con la alimentación. Las
ventajas incluyen:
• Aislación de la carga con respecto al sistema de alimentación.
• Tolerancias muy altas para la tensión de entrada y regulación muy precisa
de la tensión de salida.
9
• Regulación muy precisa de la frecuencia de salida y la posibilidad de que
la UPS opere como convertidor de frecuencia (si se le configura para tal
propósito).
• Rendimiento superior bajo el régimen de estado estable y condiciones de
transientes.
• Ininterrupción del suministro de energía a la carga durante transferencias
a la batería en la operación de recuperación y “Modo-Bypass”.
• Un “bypass” o puente manual diseñado para facilitar la mantención.
• Aún más, este tipo de UPS tiene muy pocos puntos débiles, con la
excepción de un mayor precio, lo cual es compensado por el nivel
superior de rendimiento que es muchas veces indispensable dada la
naturaleza crítica de las cargas a proteger.
• No existe regulación de tensión para UPS de Fijación Pasiva (o Passive-
Standby).
• No existe regulación de frecuencia para las UPS de Fijación Pasiva (o
Passive-Standby) ni para las de Interacción con la Línea (o Line-
Interactive).
• Las UPS tipo Fijación Pasiva y de Interacción con la línea poseen una
protección muy básica para disturbios en el suministro de potencia debido
a la posición de la UPS conectada en paralelo con la alimentación.
En rangos de baja potencia (< 2 KVA), los tres tipos de UPS
estandarizadas son empleadas, sin embargo para altos rangos de potencia, las
UPS de Conversión Doble son utilizadas casi exclusivamente.
1.6 LA NECESIDAD PARA UN NUEVO ESTÁNDAR.
1.6.1 Diversificación en Tipos de UPS
Las primeras UPS producidas masivamente aparecieron en el mercado en
la década de los 70´s, esencialmente para satisfacer las necesidades de grandes
10
sistemas de computación en términos de continuidad y calidad en el suministro
de potencia eléctrica.
Éstas, entonces, evolucionaron para adaptarse al gran incremento en el
número de cargas sensibles y sus diversificaciones debido a la explosión en la
tecnología digital. Como resultado de esto, las UPS fueron modificadas para
satisfacer las necesidades de aplicación en mini y después en micro
computadoras, procesos industriales, instrumentos, telecomunicaciones, etc.
La adaptación a los mercados sufrió cambios tan rápidamente que se
necesito una serie de innovaciones tecnológicas y una extensión en los rangos
de potencia. Los progresos se hicieron en ambas direcciones, hacia bajos y
altos rangos, para cumplir con las respectivas necesidades de los
microcomputadores y las aplicaciones vitales de sistemas digitales de
telecomunicaciones.
1.6.2 Terminología Imprecisa y Errónea
Durante este proceso de adaptación y cambio, las técnicas empleadas por
las UPS se hicieron más diversas, dependiendo del tipo de aplicación a proteger,
su aspecto crítico y su nivel de potencia. Al mismo tiempo, la descripción elegida
para calificar productos era generalmente confusa y engañosa para los
consumidores. Existían términos que llevaban a la confusión, debido a esto se
establecieron estándares para regularizar estos problemas. A continuación se
describen los términos estandarizados con que actualmente se conocen los
diferentes tipos de UPS.
1.6.3 UPS "On-Line" (O "Sobre-Línea")
En los 1970´s, el término "UPS ONLINE" era comúnmente utilizado. Se
refería a una topología de UPS que comprendía principalmente (ver Fig.1.8.):
11
• Un RECTIFICADOR/CARGADOR de entrada, que rectificaba el
suministro de tensión de CA utilizado para cargar una batería y también
como soporte del inversor.
• Una BATERIA suministrando "energía de recuperación o respaldo" en el
evento de una falla en el suministro de potencia.
• Un INVERSOR que suministra potencia con un consistente alto nivel de
calidad (frecuencia, tensión, etc., dentro de tolerancias específicas).
• Generalmente hablando, un SWITCH ESTÁTICO o LLAVE DE
TRANSFERENCIA capaz de transferir a la carga el suministro de energía
con un puente de potencia, pero permitiendo una operación directa a la
carga.
Los encargados de la estandarización observaron que el término
"ONLINE" el cual tomado literalmente significa "en la línea del suministro", no
representaba la verdadera situación en esta topología. Esto porque la carga es
alimentada por el inversor y no directamente por los terminales de suministro de
CA. Aún así, el término fue rápidamente construido para significar una UPS
alimentando una carga continuamente vía un inversor conectado en serie con los
terminales de alimentación de corriente alterna.
El término concierne principalmente a UPS de alto poder ( 10KVA)
Figura 1.8: UPS On Line.
12
1.6.4 UPS "OFF-LINE" (O "Fuera De L ínea")
En la década de los 80´s, los tipos de cargas y rangos de potencia se
incrementaron sustancialmente y fue cuando se desarrollaron las "UPS
OFFLINE", término simplemente opuesto al "ONLINE".
Este término es utilizado para describir una topología en la cual el inversor
no está conectado en serie con los terminales de CA, sino que en paralelo, en
una configuración tipo "Fijación Pasiva". No opera continuamente, sino que sólo
cuando el suministro de tensión de CA de entrada sale de su rango de
tolerancia.
Esta topología incluye un filtro cuya función no está claramente definida y
es ocasionalmente presentado equívocamente como en función de la regulación
de tensión. (ver Fig.1.9.).
Esta topología no incluye un interruptor estático o llave de transferencia,
como resultado de que los tiempos de conmutación en la carga son demasiado
largos para algunas aplicaciones.
Nuevamente los encargados de estandarización observaron que el
termino "OFF-LINE", el cual tomado literalmente significa "fuera de la línea de
suministro", no representa la verdadera situación en esta topología. La carga
Figura 1.9: UPS Off-Line.
13
es principalmente alimentada directamente del suministro de potencia de entrada
de CA y la acción del inversor es demandada sólo esporádicamente, en el
evento de un problema en la línea de suministro de potencia.
Los usuarios, sin embargo, rápidamente adoptaron esta topología y el
término "OFF-LINE" se utiliza principalmente para UPS de baja potencia ( 2KVA)
1.6.5 Otros Términos
En la década de los 90´s, aún más tecnologías fueron desarrolladas. El
término "Línea-Interactiva" es utilizado por UPS que implementan inversores
reversibles, de todas maneras, la incertidumbre creada por las muchas versiones
de topologías, expuso a los consumidores a tácticas abusivas por parte de los
distribuidores, por ejemplo, algunas topologías fueron nombradas "En-línea
(INLINE)" y en algunos casos, el término "Sobre-línea (ONLINE)" era utilizado de
manera muy errada.
1.7 EL NUEVO ESTÁNDAR.
Después de un período, esta situación permitió un sin número de
ambigüedades incluso claros fraudes, hechos en contra de los intereses de los
consumidores, viéndose penalizadas por ello manufacturadoras respetables.
La necesidad de establecer un estándar con términos claramente
definidos se volvió inevitable y es por esto que un grupo de trabajo del IEC se
dedicó a crear un estándar para los tipos de UPS y los métodos utilizados para
medir su rendimiento. El Cenelec adoptó los contenidos del estándar IEC.
Estos esfuerzos produjeron el estándar IEC-62040-3 y su equivalente
Europeo ENV 50091-3 (en donde la "V" indica un pre-estándar, emitido por un
período de prueba de tres años), el cual claramente define los tipos
estandarizados de las UPS y los métodos usados para medir su eficiencia.
14
1.8 TOPOLOGIAS ESTANDARIZADAS DE UPS
Los estándares IEC 62040-3 y ENV 50091-3 distinguen los siguientes tres
tipos de topologías de UPS:
• Fijación Pasiva (Passive Standby)
• Interacción con la Línea (Line-Interactive)
• Conversión Doble (Double Conversion)
Estos términos se refieren a la operación de las UPS con respecto a sus
Líneas de poder, sus terminales de alimentación.
Los estándares definen los siguientes términos para potencia o
alimentación de entrada:
• Alimentación Primaria (primary power): Suministro o alimentación
normalmente disponible continuamente, el cual es usualmente
suministrado por una compañía eléctrica pero muchas veces por
generación propia de un usuario (planta).
• Alimentación Fija (Standby power): Alimentación destinada a
reemplazar la alimentación principal en el caso de falla de la
alimentación primaria.
Prácticamente hablando, una UPS tiene una o dos entradas:
• La "Entrada CA Normal" (algunas veces llamada terminal 1) es
suministrada con alimentación primaria.
• La "Entrada CA pasiva" (algunas veces llamada terminal 2) cuando exista,
también puede ser suministrada por la alimentación primaria o, donde sea
posible, con alimentación de recuperación (de hecho un cable separado
del mismo tablero principal de baja tensión).
15
Figura 1.10: Modos de operación de UPS fijación pasiva.
1.8.1 Principios de Operación de la "UPS Fijación Pasiva (Passive Standby)":
El inversor se conecta en paralelo y actúa simplemente para recuperar la
red de alimentación. A continuación se describen los modos de operación de
este tipo de configuración de UPS. El inversor está en fijación pasiva (Fig.1.10)
• Modo Normal:
La carga es suministrada con alimentación de entrada CA, generalmente
vía un FILTRO/CONDICIONADOR el cual elimina ciertos disturbios y que
también puede proveer de regulación de tensión.
Los estándares no mencionan este filtro y simplemente hablan de un
"SWITCH UPS". Aún así, estos estipulan que "dispositivos adicionales puede
ser incorporados para proveer acondicionamiento de potencia. Por ejemplo,
transformador ferro-resonante o transformadores con cambiador automático de
tap".
• Modo Energía Almacenada:
16
Cuando el suministro de tensión de entrada de CA se sale de las
tolerancias especificadas, la batería y el inversor aseguran continuidad en el
suministro de potencia a la carga por un tiempo de conmutación muy corto
(generalmente 10mins). Los estándares no mencionan un tiempo especifico,
pero sí estipulan: "la carga es transferida al inversor directamente o vía el “switch
UPS” (el cual puede ser electrónico o electromecánico)".
La UPS continúa operando con la alimentación de la batería por la
duración del tiempo de recuperación o, tal como pueda ser el caso, hasta que
regrese el suministro de la tensión CA de entrada dentro de los rangos de
tolerancia permitidos, ante lo cual la UPS retoma el modo normal.
• Ventajas:
• Diseño simple.
• Bajo costo.
• Tamaño pequeño.
• Desventajas:
• No existe una real aislación de la carga con el sistema de
alimentación.
• Largo tiempo de conmutación. La ausencia de un verdadero
interruptor estático significa que el tiempo que requiere la carga para
conmutar al inversor es relativamente largo, aunque aceptable para
ciertas aplicaciones (computadores aislados por sí solos etc.). Este
nivel de rendimiento no es compatible con las necesidades de grandes
y complejos grupos de cargas sensibles (grandes computadoras,
telecomunicaciones etc.).
• No existe regulación de la tensión de salida.
• No existe regulación de la frecuencia de salida, la cual depende de la
de los terminales de entrada (frecuencia de entrada o del sistema).
17
• Aplicaciones:
Esta topología es el resultado de un compromiso entre un aceptable nivel
de protección contra perturbaciones y el costo. Es de hecho simplemente, una
reproducción de la topología "OFFLINE (fuera de línea)" presentada
anteriormente. Los estándares sugieren que el término "OFFLINE" no sea
utilizado. Estos recomiendan el uso del término "UPS de FIJACIÓN PASIVA
(PASSIVE STANDBY)" el cual es mucho más ajustado a la descripción del
principio de operación. Es por esto que, debido a las desventajas enlistadas
anteriormente, esta topología de UPS es utilizada solamente para bajos rangos
de potencia (<2KVA). No puede ser utilizado para conversión de frecuencia.
1.8.2 Principios de Operación de la "Ups Línea Interactiva (Line Interactive)":
El inversor es conectado en paralelo y actúa para recuperar el suministro
de energía (ver Fig.1.11). También carga la batería a través de su operación
reversible, interactuando con la red de alimentación. Las topologías llamadas
"Buck/Boost", "AVR (automatic voltage regulation)" y "Delta Conversion"
pertenecen a la categoría de las UPS tipo Interacción con la Línea.
Figura 1.11: Modos de operación de UPS de Interacción con la Línea.
18
Los estándares definen tres modos de operación:
• Modo Normal:
La carga es suministrada con "alimentación de terminales
acondicionados" vía una conexión paralela del inversor de la UPS con los
terminales de CA. El inversor opera para proveer acondicionamiento de tensión
de salida y/o carga de batería. La frecuencia de salida es dependiente de la
frecuencia del sistema (o de la de los terminales de entrada CA).
• Modo Energía Acumulada:
Cuando el suministro de tensión alterno sale de las tolerancias
especificadas o falla, el inversor y la batería deben ser capaces de continuar
proporcionando potencia a la carga. El interruptor (estático en algunos casos)
desconecta el suministro de entrada CA para prevenir contra-alimentación hacia
el inversor.
La UPS opera en modo energía acumulada a lo largo del tiempo de
duración de energía almacenada o hasta que regrese la alimentación de entrada
CA dentro de sus tolerancias de diseño, punto en el cual la UPS retoma el modo
normal de operación.
• Modo Puente o Bypass:
Este tipo de UPS puede incluir un puente o “bypass” de mantención. En
el caso de una mala función interna de la UPS, la carga puede ser transferida a
una alimentación en puente de entrada vía el puente de mantención.
• Ventajas:
• El costo puede ser menor que el de una UPS de conversión doble de
igual rango de potencia
• Desventajas:
19
• No existe una real aislación de la carga con el sistema de
alimentación.
• No existe regulación de la frecuencia de salida, la cual depende de la
de los terminales del suministro de entrada CA.
• Pobre protección contra impulsos y sobre tensiones.
• El acondicionamiento de la tensión de salida es mediocre pues el
inversor no está conectado en serie con la entrada CA. Los
estándares hablan de una "alimentación acondicionada" vía una
conexión paralela de la entrada CA con el inversor de la UPS. El
acondicionamiento es sin embargo limitado debido a la operación
reversible del inversor.
• Pobre eficiencia cuando opera con cargas no-lineales.
• Aplicaciones:
Esta topología calza pobremente con cargas sensibles de medios a altos
rangos de potencia porque no es posible la regulación de frecuencia. Por esta
razón, casi nunca es usada en tales rangos.
1.8.3 Principios de Operación de la "UPS de Conversión Doble (Double Conversion)":
El inversor está conectado en serie entre la entrada CA y la carga. La
alimentación o suministro de la carga fluye continuamente a través del inversor.
Los estándares definen tres modos de operación (ver Fig.1.12):
• Modo Normal:
La carga es continuamente alimentada vía la combinación
RECTIFICADOR/CARGADOR-INVERSOR la cual lleva a cabo una conversión
doble CA-CC-CA, de allí el nombre de esta topología.
20
Figura 1.12: Modos de operación de UPS Conversión Doble.
• Modo Energía Acumulada:
Cuando el suministro de tensión alterno sale de las tolerancias
especificadas, el inversor y batería continúan con el soporte de alimentación de
la carga.
La UPS opera con el modo energía acumulada a lo largo del tiempo de
duración de energía almacenada o hasta que regrese la alimentación de entrada
CA dentro de sus tolerancias de diseño, punto en el cual la UPS retoma la
operación modo normal.
• Modo Puente o Bypass:
Este tipo de UPS está generalmente equipado con un interruptor estático
o llave de transferencia. Si un interruptor estático está presente, la carga puede
ser transferida sin interrupción al puente CA de alimentación vía el interruptor
estático bajo las siguientes condiciones:
• Mala función interna de la UPS.
21
• Transientes de corriente en la carga (inrush o aclaración de fallas)
• Sobrecargas.
• Fin del tiempo de recuperación de la batería.
• Sin embargo, la presencia de un puente implica que las frecuencias de
entrada y salida deben ser idénticas y que un transformador debe ser
instalado en el puente o bypass si la tensión de entrada y salida no son
iguales.
• Ventajas:
• La continua protección de la carga es proveída por el inversor, sea esta
originada desde el suministro de entrada CA o desde la batería.
• Existe aislación de la carga del sistema alimentación eliminando la
transmisión de cualquier tipo de fluctuaciones tales como impulsos y
sobre tensiones a la carga.
• Posee amplio rango de tolerancias de tensión de entrada y una regulación
precisa de la tensión de salida.
• Posee Regulación precisa de la frecuencia de salida y posibilidad de la
operación de la UPS como convertidor de frecuencia (si se configura para
tal propósito) mediante la deshabilitación de la llave de transferencia.
• Niveles de rendimiento muy superiores bajo condiciones de estado
estable y transientes, en comparación con los otros tipos de UPS
estandarizadas.
• Transferencia instantánea al modo energía almacenada en el caso de una
falla en el suministro de entrada CA.
• Transferencia sin interrupción al modo puente o “bypass”.
• Interruptor o bypass manual diseñado para facilitar mantención.
• Desventajas:
• Alto precio, compensado por los numerosos beneficios.
• Aplicaciones:
22
Esta es la topología más completa en términos de protección de carga,
posibilidades de regulación y niveles de rendimiento. Es de hecho la topología
"On-Line" presentada al comienzo del documento. Los estándares establecen
que el término "On-Line" no debe ser usado. Estos recomiendan el término
"Conversión Doble", el cual es mucho más ajustado a la descripción del principio
de operación.
Esta topología hace posible que la operación sea continua durante las
transferencias de carga del modo normal al modo puente o “bypass” y viceversa,
utilizando una llave de transferencia. También asegura la independencia total de
las tensiones y frecuencias de salida con respecto a las tensiones y frecuencias
de entrada.
Debido a sus numerosas ventajas, las UPS de conversión doble son
utilizadas casi exclusivamente para la protección de aplicaciones críticas en
rangos de alta potencia. ( 10KVA)
CAPÍTULO 2
COMPONENTES DE UNA UPS Y SU OPERACIÓN
2.1 INTRODUCCIÓN
En el siguiente capítulo se presentarán los diferentes componentes que
conforman al sistema ininterrumpible de energía UPS, especificando sus
características y su operación o funcionamiento.
Los componentes que se describirán son: los transformadores para
aislación, las baterías, los inversores, los rectificadores-cargadores y los
interruptores estáticos.
Algunas características de las UPS que serán vistas en este capítulo son:
regulación de la tensión de salida, aislación eléctrica y paralelismo, modulación
PWM para los interruptores, etc.
2.2 AISLAMIENTO EN LAS UPS
En la gran mayoría de las aplicaciones de UPS el aislamiento galvánico
entre la entrada y la salida es necesario, tanto para seguridad del usuario como
para la adaptación de niveles de tensión y protección de la carga contra posibles
disturbios en la red de alimentación.
Existen dos formas de efectuarse el aislamiento galvánico de una UPS,
mencionadas a continuación.
• Aislamiento por transformador de baja frecuencia
• Aislamiento por transformador de alta frecuencia
24
Figura 2.1: Modos de conexión del transformador de baja frecuencia.
2.2.1 Aislamiento por Transformador de Baja Frecuencia
El transformador de baja frecuencia posee la ventaja de efectuar el
aislamiento de todos los componentes de la UPS, inclusive las configuraciones
que utilizan llave estática de transferencia, dando mucha más seguridad al
usuario del sistema. El transformador puede ser colocado de tres maneras
distintas: en la entrada, en la salida o en ambas, entrada y salida, como se
observa en la Fig.2.1.
La aparente desventaja en la utilización del aislamiento en baja frecuencia
está en el elevado peso y volumen ocupado por los transformadores con núcleos
compuestos por chapas de fierro-silicio.
25
Figura 2.2: Modos de utilización del aislamiento en alta frecuencia.
2.2.2 Aislamiento por Transformador de Alta Frecuencia
El aislamiento en alta frecuencia posee la ventaja de compactación y
reducción de peso obtenidos por la utilización de transformadores construidos en
núcleos de ferrita. El punto negativo está en el hecho de que en algunas
configuraciones no existe el completo aislamiento de todos los componentes de
la UPS. Existen diversas variaciones en esta forma de aislamiento, siendo las
principales vistas en la Fig.2.2.
2.3 BATERÍAS
En la falta de energía debido a caídas del suministro o salidas de éste en
cuanto a tolerancias, las baterías asumen el papel crucial de garantizar la
26
tensión de alimentación de la carga, manteniendo las características exigidas por
la carga por un período suficiente para que se salven informaciones hasta que
un sistema de generación auxiliar entre en acción. Debido a esto se puede decir
que las baterías son el “corazón” de la UPS, mereciendo toda atención y
cuidado.
2.3.1 Nomenclaturas
• Batería: fuente electroquímica de energía que consiste en un grupo de
células conectadas en serie, o en paralelo.
• Capacidad: expresada en amperes versus hora (Ah), depende de la
corriente de descarga, de la temperatura durante la descarga, del voltaje
final de corte y del histórico de la batería.
• Capacidad nominal: capacidad (Ah) definida por el fabricante,
normalmente para un tiempo de descarga especificado, para un voltaje
dado en una determinada temperatura.
• Célula: Unidad electro-química básica.
• Carga: La conversión de energía eléctrica en química dentro de una
célula o batería
• Cadena: Un número de células conectadas en serie para obtener el
voltaje deseado.
• Voltaje de Carga: Es el voltaje necesario para cargar una batería después
de una descarga. Este voltaje es igual o mayor que el voltaje de
fluctuación.
• Voltaje final: Voltaje mínimo al que la batería puede llegar durante un
proceso de descarga. Este voltaje es determinado a través del mayor
valor para los siguientes casos:
o voltaje mínimo que la batería puede soportar.
o voltaje que la carga puede tolerar.
27
• Carga de ecualización: Una carga, realizada en intervalos regulares o
cuando es requerida, para mantener una cadena de células cargadas
totalmente, para que cada célula llegue a un voltaje de fluctuación, dentro
de los límites determinados.
• Voltaje de ecualización: Voltaje necesario para proveer la carga de
ecualización. Esta carga es normalmente aplicada con los equipos
conectados, con valor mayor que el voltaje de fluctuación, pero debe
exceder el máximo voltaje de los equipos.
• Fluctuación o fluctuación de carga: es un método de operación para
baterías, en el cual una tensión constante es aplicado en los terminales de
la batería, el cual es suficiente para mantener un estado de carga
aproximadamente constante. Aplicaciones regulares de tensiones de
ecualización pueden ser requeridas.
• Carga inicial: Es la carga suministrada a una batería después de su
instalación, para asegurar que ella quede totalmente cargada. La tensión
utilizada en una carga inicial puede exceder el máximo voltaje de los
equipos conectados, teniendo que ser realizada con los terminales de la
batería desconectados.
• Célula piloto: Célula de una cadena, seleccionada para monitorización y
considerada como representativa de la cadena de células.
• Tiempo de reserva: Tiempo para el cual la batería es proyectada para
suplir la carga.
• Corriente de carga del sistema: La mayor corriente media solicitada por la
carga durante el número de horas del tiempo de reserva. Por ejemplo, si
la batería tiene 3 horas de tiempo de reserva, esta es la mayor corriente
media por 3 horas consecutivas.
28
2.3.2 Factores que Influyen en la Vida Útil de las Baterías.
El cambio de baterías en una UPS representa un porcentaje importante de
su costo original. Baterías dañadas reducen la confiabilidad del sistema y son
una fuente de problemas y de tiempo perdido en mantención. Así, es interesante
que las causas de daños sean identificadas para que el cambio de las baterías
sea atrasado o evitado. Estos son:
• Temperatura: La vida útil de una batería se reduce en torno del 10% para
cada 50ºC adicionales.
• Forma de recargar: La vida útil de las baterías se maximiza si recibiesen
potencia de un cargador que mantenga una determinada fluctuación de
tensión. Es interesante que él actúe, inclusive si la UPS estuviera en
operación.
• Tensión de las baterías: Al someter una o más baterías (en serie) a un
proceso de carga, algunas de sus placas se cargan con niveles diferentes
de tensión. Las que se cargan más, envejecen prematuramente. Así, una
batería, puede quedar debilitada si apenas una de sus placas se daña.
• Ondulación de corriente: La corriente sobre las baterías posee una
ondulación, generando pequeños ciclos internos de carga y de descarga,
a una frecuencia que es el doble en relación a la tensión de alimentación,
produciendo un aceleramiento en el envejecimiento de las placas.
• Almacenamiento: Durante un período de almacenamiento, la batería se
descarga lenta y espontáneamente, tanto más cuanto mayor fuera la
temperatura a que estuviera sometida. Así, se recomienda que estas sean
almacenadas en temperaturas entre 15°C a 25°C. Las baterías no deben
ser almacenadas por más de 6 meses sin sufrir un proceso de recarga. Si
hubiesen intervalos mayores, las mismas deben ser cargadas,
descargadas y recargadas antes del uso.
29
2.4 CARGADORES DE BATERIAS
El desarrollo de la tecnología de las baterías selladas y recargables,
conocidas como libres de mantención (debido a la característica de
recombinación del oxigeno desprendido de las placas positivas que se
transforma en agua, a través de una reacción combinada), resultó en una
revolución. En el mundo de las UPS’s posibilitó la integración de sistemas y,
también, que las UPS’s pudiesen ser instaladas en ambientes de trabajo
próximas a su carga, por ejemplo, computadores.
Utilizando baterías como fuente secundaria, surge la necesidad de la
existencia de un sistema cargador de baterías, que las mantenga en un nivel de
tensión adecuado y que las recupere después de un período de esfuerzo.
Existen diversas maneras de cargar el banco de baterías dependiendo de la
configuración de UPS utilizada. Algunos de los principales circuitos serán
descritos a continuación.
2.4.1 Rectificador Controlado de Baja Frecuencia.
Este tal vez sea uno de los cargadores más simple de ser implementado
pero posee como desventaja gran volumen y baja eficiencia. El aislamiento es
opcional y generalmente es utilizado para adaptación en bancos de baterías con
tensión reducida. El circuito típico de esta configuración puede ser visto en la
Fig.2.3.
2.4.2 Convertidor CC-CC Reductor en Alta Frecuencia
Los cargadores de batería que poseen operación en alta frecuencia
presentan peso y volumen aliados a la ventaja de poca ondulación de la
corriente cuando se está cargando, proporcionando mayor eficiencia y aumento
de la vida útil de las baterías. Un circuito típico utilizando el convertidor reductor
(Buck) puede ser observado en la Fig.2.4.
30
Existen configuraciones donde es necesario el aislamiento del circuito
cargador. En estas situaciones una opción interesante es la utilización de un
convertidor CC-CC aislado en alta frecuencia.
2.4.3 Convertidor CC-CC Aislado con Ecualización de las Baterías.
Otra característica importante, principalmente en casos donde los bancos
de baterías son constituidos de varias baterías en serie, es la ecualización de las
Figura 2.3: Rectificador controlado de baja frecuencia.
Figura 2.4: Cargador reductor en alta frecuencia.
31
baterías, o sea, el equilibrio proporcional de la tensión aplicado en la barra. En la
Fig.2.5 se muestra un cargador muy eficaz para estas características; el
convertidor CC-CC Flyback con múltiples devanados. Además de proveer la
aislación, también posee la característica de enviar un paquete de energía mayor
para las salidas de menor tensión, realizando así naturalmente, el equilibrio de
tensiones.
2.4.4 Cargadores con Corrección de Factor de Potencia (CFP)
En aplicaciones donde están envueltas normas, las especificaciones en
relación a la máxima distorsión armónica y/o factor de potencia en la entrada; se
puede utilizar, por ejemplo, el circuito de la Fig.2.6. El convertidor elevador
(Boost) es utilizado a gran escala en la corrección del factor de potencia en
diversas aplicaciones, pero posee la desventaja de ser elevador de tensión,
pudiendo solamente ser utilizado en casos donde la tensión de barra de baterías
fuera mayor que el valor de pico del voltaje de entrada. Para situaciones donde
el banco de baterías posee valor reducido se aconseja la utilización de otro
convertidor que trabaje como reductor de tensión, como por ejemplo el Sepic o el
convertidor Zeta.
Figura 2.5: Cargador flyback con ecualización.
32
Figura 2.6: Cargador elevador con corrección del factor de potencia.
2.5 INVERSORES
El éxito en el desarrollo de un sistema UPS esta íntimamente relacionado
con la elección adecuada de un circuito CC-CA, llamado inversor. Existen
diversas variaciones topológicas de inversores, originadas siempre de tres
circuitos inversores básicos: Push-Pull, Medio Puente y Puente Completo.
2.5.1 Inversor Push-Pull.
El inversor Push-Pull, Fig.2.7 es el más utilizado comercialmente en
aplicaciones de UPS, generalmente con salida rectangular en baja frecuencia, en
aplicaciones de pequeño tamaño y que no necesite de una forma de onda
senoidal. Sus principales características son:
• Estructura naturalmente aislada.
• Circuitos de comando en la misma referencia de la fuente.
• Estructura robusta con apenas dos interruptores controlados.
33
Figura 2.7: Inversor Push-Pull.
2.5.2 Inversor Medio Puente
La principal ventaja de este inversor es el hecho que posee apenas dos
interruptores controlados, tornando el sistema robusto. Su punto negativo está
en la utilización de dos condensadores de potencia para la obtención del punto
medio. Además de eso, necesita un circuito de comando aislado. El circuito
básico puede ser observado en la Fig.2.8.
Figura 2.8: Inversor medio puente.
34
2.5.3 Inversor Puente Completo.
Este inversor tal vez sea el menos utilizado para esta aplicación,
principalmente por poseer cuatro interruptores controlados, que vuelven la
estructura cara y poco robusta. Además, la estructura no es naturalmente aislada
y también necesita de circuitos de comandos aislados. En relación a la estructura
“medio puente” posee la ventaja de no necesitar de fuente con punto medio y los
interruptores son sometidos a la mitad del voltaje. El circuito básico puede ser
observado en la Fig.2.9.
2.6 REGULACIÓN DE CARGA.
Un factor fundamental para el éxito en la implementación de una UPS es
el conocimiento de las cargas que serán alimentadas, para que se consiga, en
las más diversas situaciones, suministrar una tensión regulada y de buena
cualidad. Otro factor que debe ser tomado en cuenta, principalmente para
sistemas de doble conversión, es la tasa de variación de la tensión de entrada.
De entre diversas maneras de efectuarse la regulación de carga, se
discutirán tres:
Figura 2.9: Inversor puente completo.
35
• Control de la tensión de Barra
• Control de la tensión empleando modulación senoidal PWM
• Control de la tensión después del inversor
Cabe al proyectista definir cual es el mejor método a ser empleado,
considerando las condiciones de carga y especificaciones del proyecto.
2.6.1 Control de la Tensión de Barra
Este tal vez sea el método más simple a ser utilizado y puede ser aplicado
tanto en sistemas de doble conversión como sistemas de fijación pasiva. Este
control exige la presencia de un convertidor CC-CC entre el banco de baterías y
la entrada del inversor. Vale resaltar que este método realiza apenas la
regulación de la tensión de carga, dejando la forma de onda bajo la
responsabilidad del inversor. El diagrama de bloques del circuito puede ser
observado en la Fig.2.10.
2.6.2 Control de la Tensión Empleando Modulación PWM.
Este es el método más eficaz en el control de la tensión de salida de los
inversores. Consiste en hacer el control del ancho del pulso de tensión aplicado
a la carga en convertidores operando en baja o alta frecuencia. El inversor
escogido para demostrar esta estrategia fue el medio puente con filtro de salida,
que puede ser visto en la Fig.2.11. El filtro es responsable de la eliminación de
armónicos y obtención de una forma de onda senoidal en la carga.
Figura 2.10: Regulación por control de la tensión de barra.
36
Figura 2.11: Inversor medio puente con regulación por modulación PWM.
2.6.3 Control PWM en Baja Frecuencia.
Es utilizado en convertidores con modulación en baja frecuencia, o sea,
inversores que aplican una forma de onda rectangular en la carga. En la
Fig.2.12, se presentan las formas de onda de un inversor medio puente con esta
regulación. El control del voltaje eficaz de salida es obtenido por la variación del
ángulo φ.
Figura 2.12: Regulación PWM en baja frecuencia.
37
2.6.4 Control PWM en Alta Frecuencia
Principalmente en los sistemas de doble conversión, es deseable que se
obtenga una tensión de salida senoidal. Para esto es necesaria la utilización de
filtros de salida. En el caso de modulación en baja frecuencia, los filtros utilizados
son voluminosos y no siempre eficaces. Para minimizar el contenido armónico es
necesaria la aplicación de una modulación adecuada, de preferencia en alta
frecuencia. De entre las modulaciones más utilizadas está la modulación PWM
senoidal. Operando en alta frecuencia, el tamaño del filtro es reducido y la
tensión de salida es mantenida por el circuito de comando de los interruptores,
debido a la aplicación de un controlador adecuado.
La modulación utilizada es obtenida a partir de la comparación de una
referencia de la señal deseada en la salida con una señal moduladora diente de
sierra o triangular. El resultado de la comparación es una señal PWM con
frecuencia y amplitud fijas que será utilizado para comparar los interruptores
complementariamente.
Figura 2.13: Generación de la señal PWM senoidal de tres niveles de tensión.
38
El inversor posee en su salida un filtro LC responsable por la
demodulación de la señal generada, extrayendo de él su componente
fundamental.
En la Fig.2.13 se puede observar una muestra de las señales presentes
en la entrada y salida del comparador.
La señal PWM posee razón cíclica que varía idealmente de O a 1 en cada
interruptor.
2.7 CONTROL DE LA TENSIÓN DE CARGA DESPUÉS DEL INVERSOR
Este tipo de regulación es utilizado en aplicaciones donde se desea
principalmente robustez y simplicidad. Como desventaja este sistema posee
peso y volumen elevados, así como alto costo y bajo rendimiento. Existen dos
maneras de lograr esa regulación, utilizando transformador multi-devanados o
filtro ferro resonante.
2.7.1 Transformador Multi-Devanados
El control es hecho con el cambio en la relación de transformación del
transformador de salida de la UPS a través de llaves, relés u otros dispositivos
semejantes. Este tipo de control normalmente es lento y somete la carga a
transitorios indeseados. El circuito básico puede ser visto en la Fig.2.14.
Figura 2.14: Regulación con transformador multi-devanados.
39
Figura 2.15: Regulación con transformador ferro-resonante.
2.7.2 Filtro Ferro-Resonante
Este tipo de filtro es muy utilizado en estabilizadores y puede ser
implementado con o sin aislamiento. Un transformador saturable es asociado en
paralelo con un condensador produciendo así el efecto de un condensador
variable. La tensión de salida se mantiene prácticamente constante a pequeñas
variaciones de red, sin la necesidad de utilización de interruptores o partes
móviles. El circuito básico puede ser observado en la Fig.2.15.
2.8 LLAVE DE TRANSFERENCIA
La llave de transferencia es uno de los componentes más críticos en el
desarrollo de un sistema UPS, principalmente por el hecho de ser la responsable
por la conmutación de corrientes elevadas en situaciones de riesgo para la
carga. En caso de falla de la UPS la llave estática debe efectuar la inmediata
conexión entre la red y la carga, sin que el usuario sufra cualquier pérdida de
información. En configuraciones de fijación pasiva la llave estática es
responsable por la conexión entre la UPS y la carga siempre que ocurra una falla
en la red alimentadora. Es fundamental que la transferencia sea hecha sin daño
al usuario o su equipo.
Algunos equipos, como los motores, cargas capacitivas, etc., exigen que
la transferencia entre el inversor y la red o viceversa sean sincronizadas, puesto
40
que se puede provocar un corto-circuito momentáneo y llevar a la destrucción del
equipo. De esta manera, es necesario que se haga un análisis del equipo a ser
alimentado para que se pueda definir el grado de complejidad del control de la
llave estática. Las llaves pueden ser constituidas de interruptores estáticos o
relés, dependiendo de la aplicación y de los tiempos de transferencia exigidos.
Las principales topologías de llave estática son:
• Sistema de doble conversión aislado
• Sistema de doble conversión no aislado
• Sistema de fijación pasiva
2.8.1 Sistema de Doble Conversión Aislado
Este sistema es el más indicado debido a que proporciona el aislamiento
galvánico total entre equipo y usuario. El circuito básico puede ser observado en
la Fig.2.16. Como la carga es alimentada por la UPS, la llave será utilizada
solamente en casos de mantención o falla.
2.8.2 Sistema de Doble Conversión no Aislado
Este sistema exige, generalmente la utilización de llaves en los dos
terminales que unen la carga y la fuente de energía, debido a los diferencias de
potencial, tornándolo más complejo y menos robusto. Un ejemplo del circuito
puede ser visto en la Fig.2.17.
Figura 2.16: Llave de transferencia en sistemas doble conversión aislados.
41
Figura 2.17: Llave de transferencia en sistemas doble conversión no aislados.
Figura 2.18: Llave de transferencia en sistemas de fijación pasiva.
2.8.3 Sistema de Fijación Pasiva
Es el sistema más simple y de bajo costo. Normalmente es utilizado sin
sincronismo y con interruptores mecánicos. En operación normal la llave
permanece cerrada y la carga es alimentada por la red. En caso de falla, la llave
se abre y la UPS pasa a suministrar energía. El circuito básico puede ser visto
en la Fig.2.18.
2.9 UPS PROYECTADA
Finalmente, la UPS a estudiar está basada en el controlador unificado de
calidad de potencia conocido por sus siglas en inglés UPQC “Unified Power
42
Quality Conditioner”, el cual se encarga de eliminar todo tipo de distorsión
armónica presente en el sistema a través de filtros activos de potencia, ya sea
por efectos de las cargas no lineales o por efectos de disturbios presentes en la
alimentación.
Este tipo de UPS-UPQC es considerado como un sistema de interacción
con la línea, o en inglés “Line Interactive UPS”, cuya topología se muestra a
continuación en la Fig.2.19.
Este tipo de UPS consta de dos inversores conectados espalda con
espalda, los cuales son los que operan como filtros activos de potencia, uno
como filtro activo paralelo, y el otro como filtro activo serie, y que serán descritos
en los capítulos que siguen.
Figura 2.19: Sistema UPS tipo UPQC.
CAPÍTULO 3
FILTRO ACTIVO PARALELO (FAP)
3.1 INTRODUCCIÓN
El sistema en estudio, la UPS tipo controlador unificado de calidad de
potencia (UPQC), consta de dos inversores configurados espalda con espalda,
uno que opera como filtro activo paralelo y otro como filtro activo serie. En este
capítulo se describe el filtro activo paralelo detallando su funcionamiento, el
análisis de proyecto necesario para su implementación y las características
principales del mismo. A través de simulaciones se validará el correcto
desempeño del primer inversor del sistema UPS-UPQC, que es el que opera
como filtro activo paralelo de potencia, el cual se muestra en la Fig.3.1, donde se
aprecia el sistema completo.
Figura 3.1: Diagrama en bloque de la UPS con FAP.
44
3.2 EL FILTRO ACTIVO PARALELO (FAP)
Esencialmente un filtro activo de potencia es un inversor alimentado por
tensión o corriente el cual es controlado de manera de obtener una forma de
onda de corriente en la red IRED que siga el mismo formato de la tensión de
alimentación o de red VRED. Por lo tanto, el filtro activo entrega a una carga no
lineal, la corriente armónica IFAP, pedida por ella. (Observar Fig.3.2). Debido a
esto los filtros constituyen una alternativa viable para compensar armónicos en
los sistemas eléctricos de potencia. En la Fig.3.3, se aprecian las corrientes
involucradas en el sistema para una carga netamente no lineal.
Figura 3.2: Configuración del FAP.
Figura 3.3: Ondas del filtro activo paralelo.
45
El compensador armónico de corriente o filtro activo paralelo (FAP)
propuesto y estudiado se muestra en la Fig.3.4. Éste se compone de un inversor
tipo puente completo alimentado en tensión y una inductancia de acoplamiento
LC1. Se conecta en paralelo entre la fuente de alimentación y la carga, las cuales
respectivamente están representados por una tensión ideal (V RED) y una fuente
de corriente o carga no lineal (ICARGA).
El filtro activo paralelo y su estrategia de control son mostrados en la
Fig.3.5. La idea principal es generar una corriente IFAP la cual debe ser capaz de
cancelar todas las armónicas que están siendo inyectadas a la red por la carga
no lineal. El lazo interno de corriente compara la referencia armónica de
corriente (IREF) con la corriente de la carga no lineal (ICARGA). Esto produce un
error el cual es inyectado hacia un compensador o red atraso adelanto con un
integrador (GC1). Su salida es entonces comparada con una onda triangular,
generando las señales de accionamiento de los interruptores del FAP (PWM1).
Figura 3.4: FAP propuesto.
46
Figura 3.5: Estrategia de control del FAP.
El lazo externo, conocido como el lazo de tensión es el responsable de
mantener la tensión promedio en el lado de CC del inversor, constante. Esto se
realiza a través de la toma de una muestra de VF comparándola con la referencia
VF*. El error resultante se inyecta al compensador (GC2) que se encarga de
mantener constante la tensión de alimentación del inversor. Su salida es
entonces multiplicada por una señal sinusoidal proporcional y en fase con la
tensión entrada (VS1). El resultado de esta multiplicación es la corriente de
referencia IREF requerida en el lazo interno de corriente.
La gran importancia de este lazo externo de tensión está en el hecho del
cargamento de las baterías, ya que al mantener constante la tensión de
alimentación del filtro y utilizando un convertidor CC-CC bidireccional en
corriente apropiado se logra que las baterías se carguen y descarguen de
manera óptima.
47
3.3 ESTUDIO ANALÍTICO
Para el análisis, es importante tener en cuenta el tipo de comando que se
efectúa para accionar los interruptores del inversor PWM alimentado en tensión
del FAP. Esto se logra comparando la señal moduladora (Vm) con dos
portadoras triangulares desfasadas 180 grados entre si (VT1,VT2), de tal manera
de obtener un nivel de tensión positivo, otro negativo y cero, tal como se aprecia
en la Fig.3.6(b).
Gracias a la versatilidad del filtro activo paralelo, la modulación se puede
realizar en multiniveles de tensión. Para este proyecto se utilizó una modulación
de tres niveles de tensión para accionar los interruptores (Fig.3.6(a)). Este tipo
de modulación se puede apreciar en la Fig.3.7 donde se muestran las etapas de
operación cuando el filtro opera a tres niveles de tensión, para ambos semiciclos
de la corriente de red [10].
Figura 3.6: Modulación a tres niveles de tensión para comando de interruptores.
48
Figura 3.7: Etapas de operación para PWM de tres niveles de tensión (para semiciclo positivo de la corriente de red).
En la operación a tres niveles, la tensión Vab (entre a y b) puede ser igual
a VF, -VF o cero. Las señales de comando para los interruptores son generadas
a través de la comparación de una señal moduladora Vm con dos señales
portadoras triangulares VT1 y VT2, desfasadas en 180º, como muestra la Fig.3.6.
El interruptor S1 es comandado complementariamente a S2 y el interruptor
S4 es comandado complementariamente a S3. Se hace necesario un tiempo
muerto entre el bloqueo de un interruptor y la entrada en conducción de otro para
evitar un corto circuito de brazo.
Una ventaja de la modulación a tres niveles es que la tensión Vab posee
una frecuencia que es el doble del de dos niveles, lo que lleva a una disminución
del inductor de acoplamiento LC1, para una misma ondulación de corriente, así
como un mejor desempeño en el funcionamiento total del filtro.
Luego la tensión media instantánea en los terminales a y b del inversor
PWM1 está dada por la ecuación siguiente:
( )1
0 0
10
SS D TD T
ABmed FS
V V dt dtT
− ⋅⋅ = ⋅ ⋅ + ⋅
∫ ∫ (3.1)
ABmed FV V D= ⋅ (3.2)
49
3.3.1 Inductor LC1.
Un parámetro importantísimo en el diseño del filtro activo paralelo es el
inductor de acoplamiento. Este inductor tiene como finalidad principal evitar las
diferencias de tensiones que se producirían al tener dos tensiones distintas en
un mismo punto, como lo serían la tensión de entrada y la tensión que se obtiene
del inversor. Por otro lado la corriente necesaria para suprimir las armónicas de
corriente introducidas a la red por la carga no lineal, es inyectada en la red a
través del inductor de acoplamiento LC1, por lo que este inductor debe ser lo
suficientemente grande como para limitar la ondulación de corriente inyectada,
debida a la frecuencia de conmutación, y por otro lado pequeño para permitir
derivadas de corriente abruptas de manera de compensar la corriente de carga.
Luego el análisis que describe la proyección del inductor se explica a
continuación, presentando las ecuaciones principales para determinar la
ganancia del sistema y su ciclo de servicio, como así también las curvas que
describen sus ecuaciones.
Sea la siguiente ecuación, la tensión que cae sobre el inductor LC1, en el
peor caso, cuando Vab = VF.
1LC F REDV V V= − (3.3)
Y sean:
1
1
1PWM
S
FT
= (3.4)
1 1 1St D T∆ = ⋅ (3.5)
11 1
( )LCLC C
di tV L
dt= ⋅ (3.6)
Donde FPWM1 es la frecuencia de conmutación y ∆t1 el intervalo de
conducción de los de interruptores.
Reemplazando (3.6) en (3.3) se obtiene:
50
1
1
LC F RED
C
di V V
dt L
−= (3.7)
En el caso de LC1, es sabido que la rapidez de variación de la corriente en
el inductor depende inversamente de su inductancia. Luego para una mejor
dinámica es deseable tener un pequeño valor de LC1, para que esta variación
acompañe las rápidas variaciones de la corriente armónica. Sin embargo valores
muy pequeños de LC1 darán ondulaciones de corriente, en la frecuencia de
conmutación, muy altas.
Por lo tanto, el cálculo de estos parámetros se debe hacer tomando en
cuenta las observaciones anteriormente dadas, de la ecuación (3.7) se tiene:
( )1 1
1
F REDLC
C
V Vi t
L
−∆ = ⋅ ∆ (3.8)
Donde ∆t1 es definido como D1 ·Ts1, entonces:
( )1 1 1
1
F REDLC S
C
V Vi D T
L
−∆ = ⋅ ⋅ (3.9)
De (3.2) se obtiene:
1
1F
ABmed
VV D
= (3.10)
Despejando la razón cíclica, se tiene:
( )1ABmed
F
VD t
Vω ⋅ = (3.11)
Y sabiendo que VRED=VPsen(ϖt) entonces:
( ) ( )1P
F
VD t sen t
Vω ω⋅ = ⋅ ⋅ (3.12)
Haciendo ahora un arreglo algebraico, se tiene
51
( )11 1
1
1S F REDLC
C F
T V Vi D t
L Vω
⋅∆ = ⋅ − ⋅ ⋅
(3.13)
Parametrizando la ecuación (3.10) se tiene:
( ) ( )1 11 1
1
1LC C PLC
S F F
i L Vi sen t D t
T V Vω ω
∆ ⋅∆ = = − ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅
(3.14)
Finalmente la ecuación que describe el valor del inductor L C1 está dada por:
1
1 1max
0.25 FC
PWM LC
VL
F i⋅=
⋅ ∆ (3.15)
La gráfica que describe la ecuación (3.12) se muestra a continuación
(Fig.3.8), y ésta corresponde a la variación de la razón cíclica en función del
tiempo para diferentes parámetros del índice de modulación MI1=VP/VF.
La Fig.3.9, corresponde a la respuesta en función del tiempo de la
ecuación 3.14, la cual describe como es la variación de la ondulación de la
corriente en el inductor de acoplamiento LC1 para diferentes parámetros del
índice de modulación MI1=VP/VF.
Figura 3.8: Variación de la razón cíclica del FAP.
52
Figura 3.9: Variación de la ondulación en L C1 en función del tiempo con MI1 de parámetro.
Figura 3.10: Modelo de grandes señales para el FAP.
3.3.2 Función de Transferencia ∆ILc1(s) / ∆d1(s).
Para obtener la función de transferencia de pequeña señal se recurrirá al
modelo de grandes señales mostrado en la Fig.3.10, donde se tiene de las
ecuaciones (3.2) (3.3) y (3.6) que:
1 1
1
F RED LC
C
D V V diL dt
⋅ − = (3.16)
53
Perturbando el sistema con una pequeña señal, se tiene:
( ) ( )1 1 1 1
1
ˆ ˆF RED LC LC
C
D d V V d i i
L dt
+ ⋅ − += (3.17)
Arreglando:
1 11 1
1 1
ˆ ˆ( ) LC LCF F RED
C C
di did t V D V VL L dt dt
⋅ ⋅ −+ = + (3.18)
Con lo que resulta la ecuación siguiente:
11
1
ˆ ˆ ( )( ) LCF
C
di td t V
L dt
⋅= (3.19)
La cual en el dominio de Laplace resulta ser:
1 11
ˆ ˆ( ) ( )FLC
C
Vd s s i s
L⋅ = ⋅ (3.20)
Y finalmente la ecuación que describe la función de transferencia del FAP es:
1
11
ˆ ( )ˆ ( )
LC F
C
i s V
s Ld s=
⋅ (3.21)
3.3.3 Ecuaciones de los Controladores del FAP.
El compensador a utilizar en el filtro activo paralelo es una red del tipo
atraso adelanto con un integrador o bien un polo en el origen, tal como se
muestra en la Fig.3.11. Se utiliza este tipo de compensación ya que es un tipo
de compensación que se adecua bastante bien para el control por corriente
media que se realiza en el filtro activo paralelo.
La ecuación que describe al compensador de la Fig.3.11 está dada por:
111
1
1
( )
1
ZC
P
SWK
G Ss S
W
+ = ⋅ +
(3.22)
54
Figura 3.11: Red de compensación utilizada en el FAP.
Haciendo algunos cambios de tal manera de escribir la ecuación de forma
completa, se obtiene las ecuaciones siguientes:
Los criterios que se utilizaron para la ubicación del polo y del cero de este
compensador se presentan a continuación:
• Polo WP1: Este polo se localiza en la mitad de la frecuencia de
conmutación, entonces:
11 2
2PWM
P
FW π= ⋅ ⋅ (3.26)
• Cero WZ1: Existen dos criterios para la ubicación de este cero, primero es
localizarlo alrededor de la frecuencia resonante del circuito de potencia y
[ ]11 1 2
1K
R C C=
⋅ + (3.23)
1
2 2
1ZW
R C=
⋅ (3.24)
1 21
2 1 2
P
C CW
R C C+=
⋅ ⋅ (3.25)
55
el segundo criterio dice que hay que localizarlo a lo menos una década
abajo de la frecuencia de conmutación, o sea:
11 2
10PWM
Z
FW π= ⋅ ⋅ (3.27)
• Ganancia K1: El criterio dice que la ganancia debe ser proporcionalmente
parecido a Wp, por lo que se toma el 75% del valor del polo, luego:
1 10.75 PK W= ⋅ (3.28)
Otro punto importante en el diseño del tipo de compensación a utilizar es el
tipo del control que se está realizando, en este caso el control por corriente
media. Cuando se realiza la adquisición de pequeñas corrientes, la
compensación se desarrolla como en los sistemas discretos. Por lo tanto, de
acuerdo con la teoría de muestreo, el desplazamiento de fase de la función de
transferencia del sistema es siempre de 180º en la mitad de la frecuencia de
muestreo. En el control por corriente media, la frecuencia de muestreo es igual a
la frecuencia de conmutación, luego este efecto es aproximado por la ganancia
de muestreo He(s) como un doble cero en la mitad de la frecuencia de
conmutación, siendo esta nueva función de transferencia que se incorpora a la
del sistema en lazo abierto, la que se encarga de compensar este déficit de fase.
La ecuación de esta función He(s) se expresa a continuación:
2
2( ) 1n n n
s sHe s
Q W W
= + + ⋅
(3.29)
Donde:
1
2n
n PWM
Q
W Fπ
π
= −
= ⋅(3.30)
56
Considerando también los parámetros de la ganancia del amplificador
operacional (Fig.3.12) y la del modulador GM (Fig.3.13), donde VSE es la tensión
pico a pico de las señales triangulares, se obtienen las siguientes ecuaciones:
12
REF
P
R IK
I
⋅= (3.31)
1M
SE
GV
= (3.32)
Figura 3.12: Circuito que describe la ganancia del amplificador operacional del compensador.
Figura 3.13: Circuito que permite obtener la ganancia del modulador.
57
Finalmente se obtiene la ecuación final del controlador PID, con sus
respectivos parámetros.
211
22 21
1
1
( ) 1
1
PFFAP
SE C n n n
Z
sWK V s s
G s KV L s Q W Ws
W
+ ⋅ = ⋅ ⋅ + + ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ +
(3.33)
3.4 RESULTADOS DE DISEÑO
A continuación se presentan resultados de las simulaciones realizadas con
el filtro activo serie estudiado. Las simulaciones que validan el funcionamiento
del filtro activo paralelo fueron hechas con cargas para una potencia de 1 KW,
siendo estas cargas lineales y no lineales, tal como se aprecian en la Fig.3.14.
Las especificaciones del filtro activo paralelo son las siguientes: VREDpeak =
$ 87.474CIRCUITO DE PRESENCIA DE RED $ 35.322CIRCUITOS DE CONTROL DE FILTROS $ 21.287CIRCUITO CARGADOR DE BATERÍAS $ 125.000OTROS MATERIALES $ 21.194TOTALES MATERIALES $ 400.108POR MANO DE OBRA $ 50.000DE INGENIERÍA $ 200.000TOTAL UNITARIO $ 250.000
$ 650.000
CIRCUITO POTENCIA DE FILTROS
COSTOS
COSTOS
OPERACIONALESINSUMOS
PRECIO APP. UNITARIO UPS
COSTOS MATERIALES
MANO DE OBRA
7.5 CRITERIO DEL VALOR ACTUAL NETO
Este criterio plantea que el proyecto debe aceptarse si su valor actual neto
(VAN) es igual o superior a cero, donde el VAN es la diferencia entre todos sus
ingresos y egresos expresados en moneda útil.
Para decidir a través del VAN, la inversión se presentará ventajosa
cuando el valor actualizado neto sea positivo, esto es, si su valor es positivo
conviene llevar a cabo el proyecto. Para el caso de resultar negativo, indicaría
inviabilidad económica y si resultara igual a cero evidenciaría una situación de
indiferencia.
Ahora bien, más allá de lo establecido en el párrafo anterior, se debe tener
en cuenta que si la tasa de descuento utilizada para el cálculo del VAN es una
pretendida proporción de rendimiento (tasa de utilidad) mayor a la tasa de costo
alternativo del capital, si el VAN resultara negativo, no estaría indicando
necesariamente una pérdida, sino más bien, cuánto faltó para que el
inversionista obtuviera la rentabilidad deseada. Asimismo, si el VAN fuera igual a
cero, se indicaría una ganancia exactamente igual a la exigida, mientras que si
resultare positivo, el VAN reflejaría el excedente de ganancia por sobre lo que se
pretendía.
El VAN está definido por la siguiente ecuación:
127
( )( ). . / ; ;inicialVAN I I O C O P A TRMA n= − + − (7.3)
Donde:
Iinicial: es la inversión inicial del proyecto
C.O: son los costos operacionales del proyecto
I.O: son los ingresos operacionales del proyecto
TRMA: es la tasa de retorno media anual (%)
n: es la vida útil del proyecto
( ) ( )( )
1 1/ ; ;
1
n
n
iP A TRMA n A
i i
+ −= ⋅ ⋅ +
(7.4)
La ecuación anterior representa el valor del factor que aparece en la
ecuación 5.7
Por lo tanto utilizando una TRMA igual a 10% para una vida útil del
proyecto de 10 años, se obtiene que el proyecto será rentable a partir del tercer
año.
Tabla 7.9: Valor Actual Neto para diferentes periodos del proyecto.