Diseño de un sistema de alimentación ininterrumpida de 2000 VA

UNIVERSIDAD DE VALLADOLID ESCUELA DE INGENIERIAS INDUSTRIALES Grado en Ingeniería Electrónica Industrial y Automática Diseño de un Sistema de Alimentación Ininterrumpida de 2000 VA Autor: Montalbán Sánchez, Jaime Tutor(es): Martín Miranda, Alfredo Departamento de Tecnología Electrónica Valladolid, junio de 2021. INGENIERÍA ELECTRÓNICA INDUSTRIAL Y AUTOMÁTICA DISEÑO DE UN SISTEMA DE ALIMENTACIÓN ININTERRUMPIDA DE 2000 VA 2 MEMORIA TRABAJO DE FIN DE GRADO INGENIERÍA ELECTRÓNICA INDUSTRIAL Y AUTOMÁTICA DISEÑO DE UN SISTEMA DE ALIMENTACIÓN ININTERRUMPIDA DE 2000 VA 3 MEMORIA TRABAJO DE FIN DE GRADO ÍNDICE 1.-RESUMEN ........................................................................................................... 9 2.-PALABRAS CLAVE ............................................................................................... 9 3.-INTRODUCCIÓN Y OBJETIVOS ......................................................................... 11 4.-DESARROLLO DEL TFG: MEMORIA DESCRIPTIVA .......................................... 13 4.1.-Variaciones en el suministro eléctrico .................................................... 13 4.1.1.- Variaciones de frecuencia ................................................................ 13 4.1.2.- Fluctuaciones de tensión ................................................................. 13 4.1.3.- Interrupciones ................................................................................... 14 4.1.4.- Bajada de tensión/subtensión ........................................................ 14 4.1.5.- Aumento de tensión/sobretensión .................................................. 16 4.1.6.- Transitorios ........................................................................................ 17 4.1.7.- Distorsión de la forma de onda ....................................................... 19 4.2.-Sistemas de Alimentación Ininterrumpida .............................................. 23 4.2.1.-Tipos de SAI ........................................................................................ 23 4.2.2.-Elementos principales de un SAI ...................................................... 26 4.2.3.-Autonomía de un SAI ......................................................................... 35 4.3.-Topología escogida del SAI....................................................................... 36 4.4.-Potencia de la carga conectada al SAI .................................................... 37 4.5.-Interruptores de potencia ......................................................................... 38 4.5.1.- Rectificador controlado de Silicio SCR ............................................ 38 4.5.2.- Tiristor desactivado por compuerta GTO ......................................... 41 4.5.3.- Transistores bipolares BJT ............................................................... 43 4.5.4.- Transistores de efecto de campo MOSFET ..................................... 44 4.5.5.- Transistores bipolares de puerta aislada IGBT ............................... 46 4.6.-Filtrado de armónicos ............................................................................... 48 4.7.-Diseño del SAI ........................................................................................... 49 4.7.1.- Sistema Rectificador. Tipos. Dimensionado y Simulaciones. ........ 49 4.7.2.- Sistema Inversor. Tipos. Dimensionado y Simulaciones. .............. 63 4.7.3.- Método de control de ancho de pulso PWM ................................... 76 4.7.4.- Baterías ............................................................................................. 81 4.7.5.- Bypass ............................................................................................... 81 INGENIERÍA ELECTRÓNICA INDUSTRIAL Y AUTOMÁTICA DISEÑO DE UN SISTEMA DE ALIMENTACIÓN ININTERRUMPIDA DE 2000 VA 4 MEMORIA TRABAJO DE FIN DE GRADO 4.7.6.- Filtro de salida ................................................................................... 82 5.-CONCLUSIONES ............................................................................................... 87 6.-BIBLIOGRAFÍA ................................................................................................... 89 7.-ANEXOS............................................................................................................. 93 INGENIERÍA ELECTRÓNICA INDUSTRIAL Y AUTOMÁTICA DISEÑO DE UN SISTEMA DE ALIMENTACIÓN ININTERRUMPIDA DE 2000 VA 5 MEMORIA TRABAJO DE FIN DE GRADO ÍNDICE DE FIGURAS Figura 1 Variaciones de frecuencia .................................................................... 13 Figura 2 Fluctuación de tensión .......................................................................... 14 Figura 3 Interrupciones ....................................................................................... 14 Figura 4 Bajada de tensión ................................................................................. 15 Figura 5 Subtensión ............................................................................................. 15 Figura 6 Aumento de tensión .............................................................................. 16 Figura 7 Sobretensión ......................................................................................... 16 Figura 8 Transitorio impulsivo ............................................................................. 17 Figura 9 Transitorio oscilatorio ............................................................................ 18 Figura 10 Desplazamiento de CC ....................................................................... 19 Figura 11 Armónicos ............................................................................................ 20 Figura 12 Interarmónicos .................................................................................... 21 Figura 13 Cortes intermitentes ........................................................................... 22 Figura 14 Ruido .................................................................................................... 23 Figura 15 SAI OFF-LINE ........................................................................................ 24 Figura 16 SAI INTERACTIVO ................................................................................. 25 Figura 17 SAI ON-LINE ......................................................................................... 26 Figura 18 ESQUEMA PRINCIPAL DE UN SAI ....................................................... 26 Figura 19 RECTIFICADOR DE MEDIA ONDA POSITIVO ....................................... 28 Figura 20 RECTIFICADOR DE ONDA COMPLETA TRIFÁSICO EN ESTRELLA ...... 29 Figura 21 BYPASS LTM9BPS DE SCHNEIDER .................................................... 29 Figura 22 INVERSOR DE ONDA CUADRADA ....................................................... 30 Figura 23 INVERSOR DE ONDA SINUSOIDAL MODIFICADA ............................... 30 Figura 24 INVERSOR DE ONDA SINUSOIDAL PURA ........................................... 31 Figura 25 PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO DE UNA BATERÍA ......................... 32 Figura 26 COMPARACIÓN ENTRE LOS DISTINTOS TIPOS DE BATERÍAS .......... 32 Figura 27 GRÁFICA V/Ah DE UNA BATERÍA ........................................................ 34 Figura 28 SÍMBOLO Y FORMA DEL SCR ............................................................. 39 Figura 29 CIRCUITO DE UN SCR .......................................................................... 40 Figura 30 CARACTERÍSITCA ESTÁTICA Y SÍMBOLO DE UN GTO ........................ 41 Figura 31 SECCIÓN DE UN GTO .......................................................................... 42 Figura 32 SECCIÓN Y SÍMBOLO DE UN BJT ........................................................ 43 Figura 33 CARACTERÍSTICA DE TRANSFERENCIA DE UN BJT ........................... 43 Figura 34 SECCIÓN DE UN MOSFET ................................................................... 44 Figura 35 SÍMBOLOS DE UN MOSFET ................................................................ 44 Figura 36 SÍMBOLOS DE UN MOSFET ................................................................ 45 Figura 37 COMPARACIÓN ENTRE BJT Y MOSFET .............................................. 46 Figura 38 REPRESENTACIÓN IGBT ..................................................................... 47 Figura 39 SECCIÓN DE UN IGBT ......................................................................... 47 Figura 40 EJEMPLO DE FILTRO EN π .................................................................. 48 INGENIERÍA ELECTRÓNICA INDUSTRIAL Y AUTOMÁTICA DISEÑO DE UN SISTEMA DE ALIMENTACIÓN ININTERRUMPIDA DE 2000 VA 6 MEMORIA TRABAJO DE FIN DE GRADO Figura 41 EJEMPLO DE FILTRO EN T .................................................................. 49 Figura 42 EJEMPLO DE FILTRO DE CORRIENTE (IZQDA) Y DE TENSIÓN (DCHA) ............................................................................................................................... 49 Figura 43 Onda de corriente en rect.monof. de media onda ........................... 51 Figura 44 Esquema de rect.monof. de media onda .......................................... 51 Figura 45 Esquema de rect.monof. en puente .................................................. 51 Figura 46 Semiciclo positivo en puente rectificador ......................................... 52 Figura 47 Semiciclo negativo en puente rectificador ........................................ 52 Figura 48 Tensión de rectificación onda completa en puente ......................... 52 Figura 49 Topología rectificador trifásico de media onda ................................ 54 Figura 50 Tensión rectificador trifásico de media onda ................................... 54 Figura 51 Tensión rectificador trifásico de media onda ................................... 55 Figura 52 Topología rectificador trifásico de onda completa ........................... 55 Figura 53 Conexionado trifásico en estrella ...................................................... 56 Figura 54 Tensión rectificador trifásico de onda completa .............................. 56 Figura 55 Señal rectificada ................................................................................. 57 Figura 56 Datasheet diodos ................................................................................ 60 Figura 57 Catálogo radiador................................................................................ 60 Figura 58 Sistema rectificador ............................................................................ 61 Figura 59 Parámetros de los diodos rectificadores y fuente de alimentación alterna ................................................................................................................... 62 Figura 60 Tensión de entrada ............................................................................. 62 Figura 61 Tensión de salida ................................................................................ 63 Figura 62 Símbolo TRIAC ..................................................................................... 64 Figura 63 Inversor monofásico en semipuente esquema y formas de onda .. 65 Figura 64 Inversor monofásico en puente esquema ........................................ 66 Figura 65 Inversor monofásico en puente formas de onda .............................. 66 Figura 66 Inversor monofásico en push-pull esquema ..................................... 67 Figura 67 Inversor trifásico en puente esquema ............................................... 68 Figura 68 Inversor trifásico en puente formas de onda con control PWM ...... 69 Figura 69 Datasheet radiadores ......................................................................... 71 Figura 70 Datasheet radiadores ......................................................................... 72 Figura 71 Esquema Inversor en puente monofásico ........................................ 74 Figura 72 Función Matlab que regula los IGBT`s del inversor ......................... 75 Figura 73 Comparación tensiones de entrada y salida en el inversor ............. 76 Figura 74 Señales PWM ...................................................................................... 77 Figura 75 Bloque PWM con referencias ............................................................. 78 Figura 76 esquema de simulación completo de inversor con PWM ................ 79 Figura 77 Tensión de la carga y Corriente de filtro del inversor con PWM ...... 79 Figura 78 Tensión de PWM ................................................................................. 80 Figura 79 Tensión de la carga y Corriente de filtro del inversor con PWM ...... 80 Figura 80 Tensión de PWM ................................................................................. 81 Figura 81 Esquema filtro paso bajo .................................................................... 83 INGENIERÍA ELECTRÓNICA INDUSTRIAL Y AUTOMÁTICA DISEÑO DE UN SISTEMA DE ALIMENTACIÓN ININTERRUMPIDA DE 2000 VA 7 MEMORIA TRABAJO DE FIN DE GRADO Figura 82 Gráfica filtro paso bajo ....................................................................... 84 Figura 83 Esquema filtro pasa altas ................................................................... 84 Figura 84 Gráfica filtro paso alto ........................................................................ 85 Figura 85 Esquema filtro paso banda ................................................................ 86 Figura 86 Gráfica filtro paso banda .................................................................... 86 INGENIERÍA ELECTRÓNICA INDUSTRIAL Y AUTOMÁTICA DISEÑO DE UN SISTEMA DE ALIMENTACIÓN ININTERRUMPIDA DE 2000 VA 8 MEMORIA TRABAJO DE FIN DE GRADO INGENIERÍA ELECTRÓNICA INDUSTRIAL Y AUTOMÁTICA DISEÑO DE UN SISTEMA DE ALIMENTACIÓN ININTERRUMPIDA DE 2000 VA 9 MEMORIA TRABAJO DE FIN DE GRADO 1.-RESUMEN En este proyecto se ha hecho el diseño completo de un Sistema de Alimentación Ininterrumpida on-line, así como su explicación profunda tanto de topologías como de funcionamiento y simulación de cada uno de los componentes que lo forman y los motivos de todas las elecciones que se vayan tomando a la hora de desarrollar el proyecto. ABSTRACT In this project, the complete design of an Uninterruptible Power Supply on-line has been made, as well as its in-depth explanation of both topologies and operation and simulation of each of the components that make up and the reasons for all the choices that are made to the time to develop the project. 2.-PALABRAS CLAVE - Variación de suministro - SAI - Protección - Parámetros - Simulación KEYWORDS - Supply variation - UPS - Protection - Parameters - Simulation INGENIERÍA ELECTRÓNICA INDUSTRIAL Y AUTOMÁTICA DISEÑO DE UN SISTEMA DE ALIMENTACIÓN ININTERRUMPIDA DE 2000 VA 16 MEMORIA TRABAJO DE FIN DE GRADO 4.1.5.- Aumento de tensión/sobretensión - Aumento de tensión: aumento en la tensión de CA con una duración de 0.5 ciclos a 1 minuto. Suelen ser causas comunes las conexiones neutras de alta impedancia, las reducciones repentinas de carga y una falla monofásica sobre un sistema trifásico. Como resultado pueden dar errores de datos, parpadeo de luces, degradación de contactos eléctricos, daño a semiconductores en equipos electrónicos y degradación del aislamiento. Los acondicionadores de línea de suministro, los sistemas UPS y los transformadores de control ferrorresonante son soluciones comunes. Figura 6 Aumento de tensión - Sobretensión: aumento de tensión prolongado. Las sobretensiones también son comunes en áreas donde los valores de referencia de los taps del transformador de suministro están mal configurados y se han reducido las cargas. Esto es común en regiones estacionales donde las comunidades reducen el uso de energía fuera de temporada y aún se está suministrando la capacidad de energía para la parte de la estación de alto uso, aún cuando la necesidad de suministro es mucho más pequeña. Las sobretensiones pueden crear un consumo de alta corriente y pueden provocar el disparo innecesario de disyuntores aguas abajo además de sobrecalentar y sobreexigir a los equipos. [2] Figura 7 Sobretensión INGENIERÍA ELECTRÓNICA INDUSTRIAL Y AUTOMÁTICA DISEÑO DE UN SISTEMA DE ALIMENTACIÓN ININTERRUMPIDA DE 2000 VA 17 MEMORIA TRABAJO DE FIN DE GRADO 4.1.6.- Transitorios Los transitorios son el tipo de perturbación más perjudicial, existen dos tipos: 4.1.6.1.- Impulsivos Son eventos repentinos de cresta y unidireccionales (positivos o negativos) en la condición de estado estable de tensión o de corriente. Son eventos de magnitud elevada o moderada, pero de corta duración, alrededor de microsegundos. Vienen caracterizados por el tiempo de ascenso (entre 1 a 10 ns), el tiempo de descenso (entre 20 a 50 ns) y su contenido espectral. Las causas que pueden originar este tipo de perturbaciones son rayos, descargas electrostáticas, puestas a tierras deficientes, conexión de cargas inductivas. Los resultados que originan pueden ir desde pérdida de información, hasta el daño de los equipos conectados a red. El rayo es posiblemente la causa más perjudicial pues puede destruir equipos sensibles sin ser necesario un impacto directo de un rayo para causar daños en los equipos, pues los campos electromagnéticos creados por los rayos inducen corriente hacia las estructuras conductivas cercanas, pudiendo originar gran cantidad de daños. [2] Figura 8 Transitorio impulsivo INGENIERÍA ELECTRÓNICA INDUSTRIAL Y AUTOMÁTICA DISEÑO DE UN SISTEMA DE ALIMENTACIÓN ININTERRUMPIDA DE 2000 VA 18 MEMORIA TRABAJO DE FIN DE GRADO 4.1.6.2.- Oscilatorios Es un cambio repentino en la condición de estado estable de la tensión, corriente o ambos, con polaridades positivas y negativas y de frecuencia diferente a la frecuencia de operación del sistema de potencia. Vienen caracterizados por su contenido espectral, duración y magnitud. Según su frecuencia se pueden clasificar en transitorios de alta, media y baja frecuencia. - Los transitorios oscilatorios con una frecuencia superior de 500 kHz y una duración de microsegundos son considerados transitorios oscilatorios de alta frecuencia. - Cuando la frecuencia de los transitorios está comprendida entre 5 y 500 kHz, se consideran transitorios de frecuencia media. - Los transitorios con frecuencia inferior a 5 kHz y una duración de 0,3ms a 50ms son considerados transitorios de baja frecuencia. Normalmente se producen cuando se conecta una carga inductiva o capacitiva, como un motor o un banco de condensadores. El resultado es un transitorio de este tipo pues la carga se opone al cambio. Un sistema de distribución eléctrica grande puede actuar como un oscilatorio cuando se conecta o desconecta el suministro, dado que todos los circuitos poseen alguna inductancia y capacidad inherente y distribuida. Cuando los transitorios oscilatorios aparecen en un circuito energizado, normalmente como consecuencia de conexión de la red eléctrica, pueden ser muy perturbadores para los equipos electrónicos. [2] Figura 9 Transitorio oscilatorio INGENIERÍA ELECTRÓNICA INDUSTRIAL Y AUTOMÁTICA DISEÑO DE UN SISTEMA DE ALIMENTACIÓN ININTERRUMPIDA DE 2000 VA 19 MEMORIA TRABAJO DE FIN DE GRADO 4.1.7.- Distorsión de la forma de onda La distorsión de la forma de onda es una desviación estable del comportamiento idealmente sinusoidal de la tensión o la corriente a la frecuencia fundamental del sistema de potencia. Se caracteriza, principalmente, por el contenido espectral de la desviación. Existen cinco formas primarias de distorsión de la forma de onda: - Desplazamiento de CC - Armónicos - Interarmónicos - Corte intermitente o hendidura - Ruido 4.1.7.1.- Desplazamiento de CC La CC puede trasponer el sistema de suministro de CA y agregar corriente indeseada a dispositivos que están funcionando a su nivel nominal. El sobrecalentamiento y saturación de los transformadores pueden ser el resultado de circulación de corrientes CC. Cuando un transformador se satura, no solamente se calienta, sino que además es incapaz de entregar su potencia a la carga, y la subsiguiente distorsión de forma de onda puede crear una mayor inestabilidad en los equipos de carga electrónica. [2] Figura 10 Desplazamiento de CC La solución es reemplazar el equipo defectuoso, poseer equipos modulares y reemplazables por el usuario aumenta la facilidad de solucionar este tipo de problemas con menos costo del que podría ser el necesitar mano de obra especializada. [2] INGENIERÍA ELECTRÓNICA INDUSTRIAL Y AUTOMÁTICA DISEÑO DE UN SISTEMA DE ALIMENTACIÓN ININTERRUMPIDA DE 2000 VA 20 MEMORIA TRABAJO DE FIN DE GRADO 4.1.7.2.- Armónicos Los armónicos son tensiones o corrientes sinusoidales cuya frecuencia es un múltiplo integral de la frecuencia fundamental del sistema. Las formas de onda distorsionadas son descompuestas, de acuerdo con Fourier, es la suma de una componente fundamental más las componentes armónicas. La distorsión armónica se origina, fundamentalmente, por la característica no lineal de las cargas en los sistemas de potencia. El nivel de distorsión armónica se describe por el espectro total armónico mediante las magnitudes y el ángulo de fase de cada componente individual. Es común, además, utilizar un criterio denominado distorsión total armónica (THD) como una medida de la distorsión. Figura 11 Armónicos Los armónicos pueden tener diversas consecuencias como: - Pueden causar errores adicionales en las lecturas de los medidores de electricidad. - Causan vibraciones y ruido acústico en transformadores, reactores y máquinas rotativas. - Son la causa de interferencias en las comunicaciones y en los circuitos de control. - Provocan la disminución del factor de potencia. - Están asociados con el calentamiento de condensadores. - Provocan calentamiento adicional debido al incremento de las pérdidas en transformadores y máquinas. - Causan sobrecargas en transformadores, máquinas y cables de los sistemas eléctricos. - Los armónicos de tensión pueden provocar disturbios en los sistemas electrónicos. Por ejemplo, afectan el normal funcionamiento de los tiristores. [2] INGENIERÍA ELECTRÓNICA INDUSTRIAL Y AUTOMÁTICA DISEÑO DE UN SISTEMA DE ALIMENTACIÓN ININTERRUMPIDA DE 2000 VA 21 MEMORIA TRABAJO DE FIN DE GRADO En general, para solucionar estos problemas se suelen usar filtros de armónicos los cuales inducen ondas de las mismas características que los armónicos, pero en sentido contrario de manera que se anulen entre sí y sólo nos quedemos con la onda fundamental y así poder suministrar una red de máxima calidad. 4.1.7.3.- Interarmónicos Es un tipo de distorsión de forma de onda que suele ser el resultado de una señal sobrepuesta en la señal de tensión por equipos eléctricos como convertidores de frecuencia estáticos, motores de inducción y dispositivos de generación de arco. Los cicloconvertidores, usados para controlar grandes motores lineales, crean algunos de los problemas más importantes de las fuentes de alimentación interarmónica. Estos dispositivos transforman la tensión de potencia en una tensión de CA de una frecuencia menor o mayor que la de la frecuencia de suministro. La consecuencia mas notable de este problema es el parpadeo de monitores y luces incandescentes, además de causar un posible calentamiento e interferencia en comunicaciones. Como soluciones pueden ser usados filtros, sistemas UPS y acondicionadores de línea. [2] Figura 12 Interarmónicos 4.1.7.4.- Cortes intermitentes Es una perturbación periódica de la tensión causada por dispositivos electrónicos, como controles de velocidad variable, atenuadores de luz y soldadores por arco durante el funcionamiento normal. Este problema podría describirse como un problema de impulso transitorio, pero dado que los cortes intermitentes son periódicos en cada medio ciclo, el corte intermitente se considera un problema de distorsión de la forma de onda. INGENIERÍA ELECTRÓNICA INDUSTRIAL Y AUTOMÁTICA DISEÑO DE UN SISTEMA DE ALIMENTACIÓN ININTERRUMPIDA DE 2000 VA 22 MEMORIA TRABAJO DE FIN DE GRADO Sus consecuencias pueden ser el paro total del sistema, pérdida de datos y problemas de transmisión de datos. Figura 13 Cortes intermitentes Una solución a este problema es trasladar la carga lejos del equipo causante del problema, así como el uso de UPS y equipos de filtrado. [2] 4.1.7.5.- Ruido Es una tensión indeseada o corriente superpuesta en la tensión del sistema de energía eléctrica o forma de onda de la corriente. El ruido puede ser generado por dispositivos electrónicos alimentados eléctricamente, circuitos de control, soldadores por arco, fuentes de alimentación para conexiones, transmisores radiales etc. Los sitios con conexiones de puesta a tierra deficientes hacen que el sistema sea mas susceptible al ruido. El ruido puede causar problemas técnicos a los equipos como errores de datos, malfuncionamiento de los equipos, falla de componentes a largo plazo, falla del disco duro y monitores con vídeo distorsionado. [2] Algunas soluciones contra el ruido pueden ser: - Uso de sistemas UPS aislando la carga. - Instalar un transformador de aislamiento blindado y con puesta a tierra. - Reubicar la carga lejos de la fuente de interferencia. - Instalar filtros de ruido. - Blindar los cables. INGENIERÍA ELECTRÓNICA INDUSTRIAL Y AUTOMÁTICA DISEÑO DE UN SISTEMA DE ALIMENTACIÓN ININTERRUMPIDA DE 2000 VA 23 MEMORIA TRABAJO DE FIN DE GRADO Figura 14 Ruido 4.2.-Sistemas de Alimentación Ininterrumpida Un SAI o UPS es un dispositivo que permite mantener constante el suministro de alimentación eléctrica cuando hay un fallo por alguna anomalía en la red. Sirve, por tanto, para proteger los dispositivos que estén conectados a la red eléctrica y mantenerlos en funcionamiento evitando así pérdida de datos y daños en archivos importantes. [3] Además, actúa como filtro pues protege a la carga conectada de sobretensiones o bajadas de tensión. La elección de un tipo u otro de equipo vendrá determinado por una serie de factores como pueden ser: - Tipo de equipo a proteger: Ordenadores, equipos de redes y comunicaciones, motores, sistemas de vigilancia, sistemas médicos, etc. - Entorno de uso del Sai. En función si va a utilizarse en un entorno doméstico, empresarial, industrial, etc. - Tipo en entrada/salida. Monofásica/Monofásica, Trifásica/Monofásica, Trifásica/Trifásica. - Calidad de la red eléctrica de la empresa suministradora. - Autonomía del Sai que se requiere para cubrir la necesidad. - Presupuesto de compra del que disponemos. 4.2.1.-Tipos de SAI Sus tipos se distinguen en función de la manera en la que almacenan la energía y cómo posteriormente la suministran a las cargas conectadas: - VFI (On-line). La frecuencia y la tensión de salida del SAI no dependen de la de entrada. INGENIERÍA ELECTRÓNICA INDUSTRIAL Y AUTOMÁTICA DISEÑO DE UN SISTEMA DE ALIMENTACIÓN ININTERRUMPIDA DE 2000 VA 24 MEMORIA TRABAJO DE FIN DE GRADO - VFD (Off-line). La frecuencia y la tensión de salida del SAI son las mismas que la de entrada o dependientes de esta. - VI (Interactivo). La frecuencia de salida del SAI depende de la de entrada, pero en cambio la tensión de salida es independiente de la de entrada. 4.2.1.1.-OFF-LINE En un SAI Off-Line la corriente eléctrica está pasando sin ningún filtro a los dispositivos ya que no disponen de AVR integrado. El SAI únicamente empezará a funcionar cuando detecte un fallo de corriente, en ese momento, casi instantáneamente comenzará a suministrar la energía que ha ido almacenando en sus baterías. Estos SAI`s son solo recomendables para las zonas que disponen de una red estable ya que, al no realizar ningún filtrado de la corriente, solo protegen ante una interrupción brusca de la corriente (apagón eléctrico). Aplicaciones: zonas con pocas perturbaciones y red eléctrica de buena calidad. [4] Figura 15 SAI OFF-LINE 4.2.1.2.-INTERACTIVO Un SAI Interactivo es parecido al SAI Off-Line, pero incorpora un microprocesador que controla las fluctuaciones de la red en ±15%, regulando la tensión de salida (efecto Buck/Boost AVR Integrado), este proceso de filtrado y mejora continua de la corriente que llega a los dispositivos conectados al SAI se realiza sin que entren a funcionar las baterías, por lo que la protección con un SAI interactivo es mayor aún sin sufrir apagones. En el momento en que se detecta un corte de corriente empiezan a funcionar casi instantáneamente las baterías para evitar que el ordenador se apague. Debido a sus características INGENIERÍA ELECTRÓNICA INDUSTRIAL Y AUTOMÁTICA DISEÑO DE UN SISTEMA DE ALIMENTACIÓN ININTERRUMPIDA DE 2000 VA 25 MEMORIA TRABAJO DE FIN DE GRADO técnicas y rango de precios, el SAI interactivo es el considerado como adecuado para equipos de gama baja y media. Aplicaciones: Ordenadores gama media y baja, consolas de juegos, pequeños servidores de redes, equipos de oficina, etc. [4] Figura 16 SAI INTERACTIVO 4.2.1.3.-ON-LINE Por último, está el SAI On-Line, que realiza una doble conversión de la energía eléctrica que recibe, transformándola en continua y después a alterna de nuevo, eliminando de esta manera todos los problemas que pueda tener. Un Sai On-Line siempre proporciona energía eléctrica directamente desde sus baterías mientras estas se van cargando de la red, y esto es lo que garantiza que la protección contra cualquier problema de la red eléctrica sea total. Debido a su alta fiabilidad, la tecnología On-Line ocupa el sector profesional en el mercado de SAIS y está generalmente destinada a proteger servidores, equipos industriales o cualquier instalación informática que por su importancia o coste necesite la seguridad de no verse afectados por problemas derivados de la red eléctrica. Aplicaciones: servidores, clúster de equipos, y en general instalaciones informáticas críticas o imprescindible (redes de datos, servidores, telecomunicaciones, industria, etc.). [4] INGENIERÍA ELECTRÓNICA INDUSTRIAL Y AUTOMÁTICA DISEÑO DE UN SISTEMA DE ALIMENTACIÓN ININTERRUMPIDA DE 2000 VA 32 MEMORIA TRABAJO DE FIN DE GRADO El funcionamiento de una batería se basa en una reacción electroquímica llamada Redox (reducción – oxidación). Esta reacción a simples palabras trata de un intercambio de electrones entre dos polos, provocando un cambio en los estados de oxidación de los materiales. [11] Las baterías tienen especial sensibilidad a la temperatura siendo 20ºC la temperatura idónea para un buen rendimiento en cuanto a capacidad, vida útil y tensión de flotación. Hay que controlar dichas temperaturas y que el SAI se adapte a ellas ajustando la tensión de flotación correcta. Figura 25 PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO DE UNA BATERÍA Figura 26 COMPARACIÓN ENTRE LOS DISTINTOS TIPOS DE BATERÍAS Las baterías son el elemento más caro, pesado y voluminoso del SAI y decidirá sus prestaciones por lo que es importante prestarle especial atención. Son INGENIERÍA ELECTRÓNICA INDUSTRIAL Y AUTOMÁTICA DISEÑO DE UN SISTEMA DE ALIMENTACIÓN ININTERRUMPIDA DE 2000 VA 33 MEMORIA TRABAJO DE FIN DE GRADO bastantes los parámetros que las definen así que en esta entrada haré un repaso de algunos de ellos para aclarar conceptos. Los cuatro parámetros más importantes de una batería (a parte del coste, tamaño y peso) son el voltaje expresado en Voltios (V), la capacidad de carga en Amperios-Hora (Ah), la energía almacenada expresada en Vatios-Hora (Wh) y la máxima corriente que es capaz de suministrar en Amperios (A). Para hacernos una idea rápida de cómo nos afectan estos parámetros se puede decir que Voltaje=Revoluciones, Corriente=Par y que Energía almacenada=Autonomía. Veamos un poco más en profundidad: - Capacidad de carga o de almacenamiento de una batería (en Ah): La capacidad de carga se refiere al tiempo que una corriente de un determinado amperaje puede ser extraída de una batería antes de que ésta se agote. Por ejemplo, si la capacidad de una batería es de C=40Ah ésta en teoría puede dar 4A durante 10 horas, 8 A durante 5 horas, 40 A durante una hora u 80A durante media hora. Esto no es del todo cierto ya que la capacidad variará en función de cómo extraigamos la carga. Cuanto más rápido lo hagamos menor será la capacidad final y al revés, cuanto más lento extraigamos la carga mayor será la capacidad final. Para entendernos, una batería de 40Ah capaz de dar 4A durante 10 horas, al suministrar 40 Amperios es probable que dure menos de una hora. - Capacidad de descarga (en Amperios): Por lo tanto, la capacidad de descarga nos dirá cuanta corriente es capaz de dar la batería sin degradarse o quemarse. Así que cuanto mayor sea esta capacidad mejor ya que dispondremos de más amperios y por lo tanto de más par y potencia. - El Voltaje, tensión o diferencia de potencial (en Voltios): es la magnitud física que impulsa a los electrones a través de un circuito eléctrico cerrado provocando el flujo de una corriente eléctrica. El voltaje en los terminales de la batería lo podemos expresar matemáticamente como V=E-I*R asumiendo que la corriente sale de la batería. Donde: V es el voltaje en los terminales o bornes. R es la resistencia interna de la batería. E es el voltaje fijo de la batería o tensión del circuito abierto. Esta ecuación nos dice que al aumentar la corriente que se suministra, la tensión V disminuirá I*R por lo tanto nos interesa que la resistencia INGENIERÍA ELECTRÓNICA INDUSTRIAL Y AUTOMÁTICA DISEÑO DE UN SISTEMA DE ALIMENTACIÓN ININTERRUMPIDA DE 2000 VA 34 MEMORIA TRABAJO DE FIN DE GRADO interna de la batería sea lo más pequeña posible. Por el contrario, cuando cargamos la batería el voltaje V aumentará I*R. El voltaje, viene fijado por el potencial del par redox utilizado, suele estar entre 1V a 4V por celda. Es uno de los parámetros más característicos pues nos da información de si la batería sirve para la aplicación deseada. El valor de V que dan los fabricantes es un valor nominal. Cuando la batería está completamente cargada este valor estará por encima y a medida que se va descargando va disminuyendo hasta estar bastante por debajo del valor nominal. Podemos ver como interactúan realmente todos estos parámetros en la siguiente gráfica que corresponde a una batería de 3V/20Ah. [12] Figura 27 GRÁFICA V/Ah DE UNA BATERÍA - Voltaje de flotación: es el mínimo voltaje que hay que aplicar permanentemente a la batería para mantener a la batería 100% cargada cuando no está alimentando a ninguna carga. Es un parámetro importante pues depende de la tecnología de fabricación utilizada y tiene que ser el adecuado para no sobrecargar a la batería. El rango de voltaje de flotación está en torno a 2,15-2,30V por celda, por lo que el voltaje de flotación a aplicar a una batería dependerá del número de celdas por las que esté compuesta. INGENIERÍA ELECTRÓNICA INDUSTRIAL Y AUTOMÁTICA DISEÑO DE UN SISTEMA DE ALIMENTACIÓN ININTERRUMPIDA DE 2000 VA 35 MEMORIA TRABAJO DE FIN DE GRADO 4.2.3.-Autonomía de un SAI Se conoce como tiempo de servicio o de respaldo de un SAI, es el tiempo durante el cual este dispositivo electrónico es capaz de alimentar la carga en ausencia de red. Depende de varios parámetros como el autoconsumo del SAI debido a las pérdidas que se generan en sus componentes, también depende de la carga que se desea alimentar, de la temperatura ya que las baterías son muy sensibles a este parámetro como hemos dicho con anterioridad, así como del ciclo de vida de las baterías que con el paso del tiempo verán mermada su capacidad. Se puede dotar al sistema de unas baterías externas para aportar un tiempo de servicio extra. Para hacer el cálculo de la autonomía del SAI debemos tener en cuenta los siguientes parámetros: - Consumo total de la carga (Potencia de carga) que queremos alimentar en W, la cual calcularemos más adelante, dicho consumo dependerá del porcentaje de carga que queramos alimentar y por tanto esto afectará a la autonomía del SAI, no es lo mismo alimentar el total de la carga que la mitad. Para nuestro estudio como ya veremos más adelante, la potencia máxima a suministrar a la carga será de 756W. - Potencia total de nuestro SAI en W, partiendo de la condición que como bien dice el título de este trabajo, nuestro SAI sea de 2000VA, de esta manera, considerando un factor de potencia de 0,6 seremos capaces de suministrar una potencia de: 2000 x 0,6 = 1200W. - Tiempo de servicio a máxima potencia que nos permiten las baterías, para ello, escogemos unas baterías que nos permitan dar respaldo de un tiempo de 17 minutos a máxima potencia. Con todo esto la autonomía del SAI será: 𝑡𝑖𝑒𝑚𝑝𝑜 𝑑𝑒 𝑟𝑒𝑠𝑝𝑎𝑙𝑑𝑜(𝑚𝑖𝑛)=𝑃𝑜𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑑𝑒𝑙 𝑆𝐴𝐼 𝑃𝑜𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑑𝑒 𝑐𝑎𝑟𝑔𝑎 𝑥 17 𝑚𝑖𝑛 (1) INGENIERÍA ELECTRÓNICA INDUSTRIAL Y AUTOMÁTICA DISEÑO DE UN SISTEMA DE ALIMENTACIÓN ININTERRUMPIDA DE 2000 VA 36 MEMORIA TRABAJO DE FIN DE GRADO Por tanto, la autonomía de nuestro SAI alimentando el 100% de la carga conectada será de 27 minutos considerando la potencia máxima de la carga por lo que generalmente aguantará algún minuto más. 4.3.-Topología escogida del SAI Se ha decidido dotar al SAI de una topología “ON-LINE” de entre todas las explicadas anteriormente, las razones son las siguientes: Esta topología, además de proteger contra un apagón, mantiene los valores de tensión y frecuencia dentro de unos límites protegiendo la carga de subidas y bajadas de tensión en la alimentación además de proteger contra otros problemas que pueda haber con la red eléctrica. Puede actuar como un convertidor de frecuencia 50/60 Hz y 60/540 Hz. Debido a estos factores y su capacidad de acondicionamiento en la alimentación de las cargas conectadas el SAI ON-LINE es la mejor opción para para sitios remotos de telecomunicaciones móviles y sistemas de procesamiento críticos de voz y datos donde puede haber un alto riesgo de daños causados por relámpagos locales y transitorios de alta energía. En caso de que por cualquier motivo perdamos el suministro eléctrico, esto no causará que nuestro SAI tenga que cambiar de modo de trabajo, como ocurriría con el SAI offline. El tiempo de reacción que necesita el SAI para alimentar nuestros equipos desde la batería es de 0 ms. Proporcionará una protección totalmente continua, activa a fallas tanto de la red eléctrica como de algún elemento del propio SAI. El SAI On-line suele utilizarse en aplicaciones industriales, sistemas de telecomunicaciones remotos, en medicina, aplicaciones militares etc. Por último, hay que destacar que esta topología permite conectar nuevos módulos en paralelo a los existentes para aumentar la potencia y autonomía del SAI con mucha facilidad por lo que podemos agregar nuevas cargas sin necesidad de cambiar la instalación por completo. INGENIERÍA ELECTRÓNICA INDUSTRIAL Y AUTOMÁTICA DISEÑO DE UN SISTEMA DE ALIMENTACIÓN ININTERRUMPIDA DE 2000 VA 37 MEMORIA TRABAJO DE FIN DE GRADO 4.4.-Potencia de la carga conectada al SAI Como ya hemos dicho, podemos aumentar la potencia de nuestro SAI fácilmente, no obstante, para este trabajo tenemos la limitación en 2000VA de potencia aparente. Normalmente, escogeremos la potencia del SAI en función de la carga que queramos conectar, pero como en nuestro caso nos limitan la potencia, escogeremos la carga a conectar en base a la potencia que podemos dar de 2000VA. A continuación, se escogerán las cargas que irán conectadas y que por tanto quedarán protegidas por nuestro SAI. He decidido realizar este diseño para proteger equipos informáticos pues actualmente considero que cada vez existen más dispositivos capaces de almacenar grandes cantidades de datos en tiempo real y la información hoy en día es el nuevo oro por lo que dichos equipos deben permanecer debidamente protegidos a fallas. Se ha elaborado una estimación de la potencia necesaria de estos equipos informáticos en función de su procesador y del porcentaje de carga al que trabajan, siempre poniendo el peor de los casos, es decir, trabajando a plena carga: - 2 equipos de alta gama con tarjeta gráfica media, consumo máximo de 300W a plena carga. Normalmente trabajará a 150W. - Servido web con un consumo de 20W. - 2 monitores LCD consumo máximo de 47,5W y normal de 30W. - Router con consumo máximo de 12W. - 1 impresora industrial consumo máximo de 29W. La potencia de carga total a suministrar en el caso más desfavorable será de 756W. Los SAI actuales suelen llevar una cierta cantidad de baterías de 12V y 9Ah en función de la potencia, nuestro SAI llevará 3 baterías de este tipo conectadas en serie dando un total de 36V y 9Ah. Como nuestro SAI es de 2000VA, es decir, 1200W ya que consideramos un factor de potencia de 0,6 normalmente usado en SAI destinados a proteger equipos informáticos, de este modo: 𝐸𝑛𝑒𝑟𝑔í𝑎 = 𝑇𝑒𝑛𝑠𝑖ó𝑛 𝑥 𝐶𝑜𝑟𝑟𝑖𝑒𝑛𝑡𝑒 𝑥 𝑇𝑖𝑒𝑚𝑝𝑜 = 36𝑉 𝑥 9𝐴ℎ ≈ 324𝑊ℎ. INGENIERÍA ELECTRÓNICA INDUSTRIAL Y AUTOMÁTICA DISEÑO DE UN SISTEMA DE ALIMENTACIÓN ININTERRUMPIDA DE 2000 VA 38 MEMORIA TRABAJO DE FIN DE GRADO Esto quiere decir, que en 1 hora es capaz de suministrar 324W, por lo que en media hora suministra el doble de potencia y en 15 minutos suministra 4 veces esa potencia, de esta manera haciendo los cálculos interpolando nos sale que nuestro SAI es capaz de suministrar aproximadamente 762W en los 27 minutos de autonomía, lo cual es un poco más de los 756W de máxima potencia que se pueden requerir en la carga conectada. 4.5.-Interruptores de potencia En electrónica de potencia existen varios semiconductores que se comportan como un interruptor ideal, sus rasgos identificativos son: - Control de tensión directa e inversa cuando está apagado. - Conducción de corrientes grandes con una caída de tensión nula cuando están encendidos. - Control instantáneo de encendido y apagado mediante señales usando una baja potencia. - Impedancia cero en conducción e infinita en corte. Estos semiconductores de potencia pueden dividirse en: - Diodos, controlados por el circuito de potencia con lo cual estarían encasillados como interruptores no controlables. - Tiristores, encendidos por señales de control y apagados por el circuito de potencia con lo cual serían interruptores semicontrolables como el SCR. - Interruptores controlables como el GTO, el transistor bipolar (BJT), el MOSFET y el IGBT, los cuales son encendidos y apagados mediante una señal de control. Estudiemos algunas características de los semiconductores más empleados: 4.5.1.- Rectificador controlado de Silicio SCR El rectificador controlado unidireccional de silicio es un tipo de tiristor formado por cuatro capas de material semiconductor con estructura PNPN o bien NPNP. INGENIERÍA ELECTRÓNICA INDUSTRIAL Y AUTOMÁTICA DISEÑO DE UN SISTEMA DE ALIMENTACIÓN ININTERRUMPIDA DE 2000 VA 39 MEMORIA TRABAJO DE FIN DE GRADO Un SCR posee tres conexiones: ánodo, cátodo y gate (puerta). La puerta es la encargada de controlar el paso de corriente entre el ánodo y el cátodo. Funciona básicamente como un diodo rectificador controlado, permitiendo circular la corriente en un solo sentido. Mientras no se aplique ninguna tensión en la puerta del SCR no se inicia la conducción y en el instante en que se aplique dicha tensión, el tiristor comienza a conducir. Trabajando en corriente alterna el SCR se desexcita en cada alternancia o semiciclo. Trabajando en corriente continua, se necesita un circuito de bloqueo forzado, o bien interrumpir el circuito. El pulso de conmutación ha de ser de una duración considerable, o bien, repetitivo si se está trabajando en corriente alterna. En este último caso, según se atrase o adelante el pulso de disparo, se controla el punto (o la fase) en el que la corriente pasa a la carga. Una vez arrancado, podemos anular la tensión de puerta y el tiristor continuará conduciendo hasta que la corriente de carga disminuya por debajo de la corriente de mantenimiento (en la práctica, cuando la onda senoidal cruza por cero). Cuando se produce una variación brusca de tensión entre ánodo y cátodo de un tiristor, éste puede dispararse y entrar en conducción aun sin corriente de puerta. Por ello se da como característica la tasa máxima de subida de tensión que permite mantener bloqueado el SCR. Este efecto se produce debido al condensador parásito existente entre la puerta y el ánodo. Figura 28 SÍMBOLO Y FORMA DEL SCR Funcionamiento del SCR: Al aplicarse una corriente IG al terminal G (base de Q2 y colector de Q1), se producen dos corrientes: IC2 = IB1. IB1 es la corriente base del transistor Q1 y causa que exista una corriente de colector de Q1 (IC1) que a su vez alimenta la base del transistor Q2 (IB2), este a su vez causa más corriente en IC2, que es lo mismos que IB1 en la base de Q1. Este proceso regenerativo se repite hasta saturar Q1 y Q2 causando el encendido del SCR. INGENIERÍA ELECTRÓNICA INDUSTRIAL Y AUTOMÁTICA DISEÑO DE UN SISTEMA DE ALIMENTACIÓN ININTERRUMPIDA DE 2000 VA 40 MEMORIA TRABAJO DE FIN DE GRADO Figura 29 CIRCUITO DE UN SCR En el SCR, la llamada compuerta (gate), determina cuándo el rectificador conmuta del estado de circuito abierto al de circuito cerrado. No es suficiente sólo la polarización directa del ánodo al cátodo del dispositivo. Un SCR actúa a semejanza de un interruptor. Cuando está encendido (ON), hay una trayectoria de flujo de corriente de baja resistencia del ánodo al cátodo. Actúa entonces como un interruptor cerrado. Cuando está apagado (OFF), no puede haber flujo de corriente del ánodo al cátodo, por tanto, actúa como un interruptor abierto. Dado que es un dispositivo de estado sólido, la acción de conmutación de un SCR es muy rápida. En resumen, el SCR es un elemento unidireccional y sólo conduce corriente en un sentido, cuando el elemento esté polarizado en sentido directo y en el caso de que esa polarización sea inversa, el elemento estará bloqueado. El paso a conducción se inicia con polarización directa entre ánodo y cátodo, en el instante que se aplica un impulso positivo de corriente en el terminal de puerta. Una vez cebado, la puerta pierde el control y seguirá conduciendo. Se podrá bloquear invirtiendo la tensión ánodo-cátodo o abriendo el circuito principal. Requiere poca corriente de puerta para el disparo de una gran corriente directa, puede bloquear ambas polaridades de una señal alterna, bloquea altas tensiones y tiene caídas de tensión pequeñas en directa. Por el contrario, el apagado no es controlado, puede dispararse por ruidos de tensión y no soporta grandes temperaturas ni frecuencias de operación. [14] INGENIERÍA ELECTRÓNICA INDUSTRIAL Y AUTOMÁTICA DISEÑO DE UN SISTEMA DE ALIMENTACIÓN ININTERRUMPIDA DE 2000 VA 41 MEMORIA TRABAJO DE FIN DE GRADO 4.5.2.- Tiristor desactivado por compuerta GTO Actúan como interruptores unidireccionales completamente controlables, los cuales pueden ser encendidos o apagados en cualquier momento con una señal de compuerta positiva o negativa respectivamente, tienen bajas pérdidas de conducción y suelen ser usados en aplicaciones de baja y media frecuencia. Figura 30 CARACTERÍSITCA ESTÁTICA Y SÍMBOLO DE UN GTO Su estructura es similar al SCR con 4 capas de Silicio PNPN y 3 terminales: ánodo, cátodo y puerta. INGENIERÍA ELECTRÓNICA INDUSTRIAL Y AUTOMÁTICA DISEÑO DE UN SISTEMA DE ALIMENTACIÓN ININTERRUMPIDA DE 2000 VA 48 MEMORIA TRABAJO DE FIN DE GRADO EL IGBT requiere un valor límite VGE (TH) para el estado de cambio de encendido a apagado y viceversa. Este es usualmente de 4 V. Arriba de este valor el voltaje VCE cae a un valor bajo cercano a los 2 V. Como el voltaje de estado de encendido se mantiene bajo, el G debe tener un voltaje arriba de 15 V, y la corriente IC se autolimita. Existen en el mercado transistores IGBT que soportan hasta 600 Amperios, pueden trabajar con tensiones superiores a los 3.000 voltios y a temperaturas por encima de los 150 ºC. Dada su capacidad, se suelen emplear en dispositivos convertidores de potencia eléctrica, como Variadores de Frecuencia, automoción y sistemas de transporte eléctricos, ascensores, Sistemas de Alimentación Ininterrumpida (SAI/UPS), electrodomésticos, etc. [20] y [21] 4.6.-Filtrado de armónicos El filtrado de salida consiste principalmente en la supresión de perturbaciones mediante la atenuación débil (idealmente nula) de la frecuencia fundamental y la atenuación fuerte de las componentes no deseadas que son de mayor frecuencia mediante un filtro pasabajos. Para este cometido principalmente se utilizan principalmente elementos pasivos, mayormente inductancias y capacidades, sobretodo en elementos de potencia ya que las resistencias perjudicarían notablemente al rendimiento. Existen dos tipos de configuraciones principales que son la configuración en π y en T que a su vez se dividen en secciones L. Figura 40 EJEMPLO DE FILTRO EN π INGENIERÍA ELECTRÓNICA INDUSTRIAL Y AUTOMÁTICA DISEÑO DE UN SISTEMA DE ALIMENTACIÓN ININTERRUMPIDA DE 2000 VA 49 MEMORIA TRABAJO DE FIN DE GRADO El filtro en π está compuesto por dos ramas paralelo unida a una serie y el filtro en T por dos ramas serie unida a una paralela. Figura 41 EJEMPLO DE FILTRO EN T El número de inductancias y condensadores establece el orden del filtro que determina la evolución de la pendiente del módulo con respecto a la frecuencia siendo superior para mayor orden. La inductancia en serie del filtro además sirve para limitar la corriente en caso de cortocircuito. Se pueden distinguir dos configuraciones en cuanto a su función: Figura 42 EJEMPLO DE FILTRO DE CORRIENTE (IZQDA) Y DE TENSIÓN (DCHA) -Filtro de corriente: tiene una inductancia en el circuito en serie. -Filtro de tensión: tiene una capacidad en el circuito paralelo. 4.7.-Diseño del SAI 4.7.1.- Sistema Rectificador. Tipos. Dimensionado y Simulaciones. El rectificador se encarga de pasar de tensión alterna procedente de la red eléctrica a tensión continua de forma que mantenga cargadas las baterías del SAI y así su autonomía sea lo mayor posible. INGENIERÍA ELECTRÓNICA INDUSTRIAL Y AUTOMÁTICA DISEÑO DE UN SISTEMA DE ALIMENTACIÓN ININTERRUMPIDA DE 2000 VA 50 MEMORIA TRABAJO DE FIN DE GRADO Si se tiene un SAI on-line como es el caso, el rectificador además alimenta al inversor para proporcionar energía a las cargas conectadas cuando hay red eléctrica. Cuando las baterías están descargadas debido a cualquier fallo de red eléctrica, el rectificador las recarga; cuando se da la situación contraria, es decir, que las baterías estén cargadas, el rectificador se encarga de mantenerlas en su tensión de flotación para que no se descarguen. Existen rectificadores que utilizan elementos SCR para controlar su puesta en conducción y otros que utilizan diodos semiconductores por lo que no se puede controlar su puesta en conducción. Un diodo es un dispositivo semiconductor que actúa esencialmente como un interruptor unidireccional para la corriente. Permite que la corriente fluya en una dirección, pero no en la opuesta. Por otra parte, un SCR (rectificador controlado de silicio) es un componente electrónico que al igual que el diodo semiconductor permite la circulación de la corriente en un solo sentido, pero con el añadido de que solo se pone en conducción cuando su terminal de puerta (tercer terminal, añadido del diodo que solo posee dos terminales) tiene aplicada una determinada tensión. Una vez que se pone en conducción, aunque se anule la tensión aplicada en la puerta el SCR seguirán conduciendo hasta que la corriente de carga que circula por él caiga por debajo de la de mantenimiento, con lo anterior se deduce que, si se quiere controlar también el corte en este componente, se necesitará de una circuitería auxiliar conocido como circuito de bloqueo forzado. [22] A continuación, expondré los tipos de rectificadores más usados: 4.7.1.1.- TIPOS DE RECTIFICADORES MONOFÁSICOS: - Rectificador monofásico de media onda: Cuando la corriente de red comience a producir la onda senoidal, el diodo sólo permitirá que pase corriente a la carga R mientras éste sea polarizado directamente, es decir, cuando al ánodo del diodo se le aplique una polaridad positiva. Durante el semiperiodo negativo el diodo no conducirá, por lo que la carga no será alimentada, y en ese caso habremos conseguido una corriente pulsante. INGENIERÍA ELECTRÓNICA INDUSTRIAL Y AUTOMÁTICA DISEÑO DE UN SISTEMA DE ALIMENTACIÓN ININTERRUMPIDA DE 2000 VA 51 MEMORIA TRABAJO DE FIN DE GRADO Figura 43 Onda de corriente en rect.monof. de media onda Figura 44 Esquema de rect.monof. de media onda Es el montaje más simple. Se usa poco y sobre todo para pequeñas potencias o pequeños cargadores de baterías. El problema de este tipo de rectificador es que el valor medio de la tensión de salida es bajo y depende de la carga, además la corriente se llega a cortar y hay tensión negativa. [23] - Rectificador monofásico en puente: Con el rectificador anterior (media onda) la tensión de alimentación valdrá 0 V durante la mitad del tiempo, es decir, siempre que se presente el semiperiodo negativo. Para solucionar este problema podemos disponer de un puente de diodos, en el que se rectifique por un lado el semiperiodo positivo y por otro el semiperiodo negativo, de forma que la carga siempre esté alimentada. Figura 45 Esquema de rect.monof. en puente En este caso, los diodos 1 y 4 se encargarán de conducir el semiperiodo positivo ya que en ese caso al ánodo de dichos diodos les llegará tensión INGENIERÍA ELECTRÓNICA INDUSTRIAL Y AUTOMÁTICA DISEÑO DE UN SISTEMA DE ALIMENTACIÓN ININTERRUMPIDA DE 2000 VA 52 MEMORIA TRABAJO DE FIN DE GRADO positiva. En el caso de los diodos 2 y 3 pasará, al contrario, de esta manera nos queda un flujo de corriente tal que así: Figura 46 Semiciclo positivo en puente rectificador Figura 47 Semiciclo negativo en puente rectificador De esta manera, la carga siempre recibe positivo por el mismo sitio, independientemente de que sea el semiperiodo positivo o negativo el que se produce en la secuencia de funcionamiento. [23] Figura 48 Tensión de rectificación onda completa en puente INGENIERÍA ELECTRÓNICA INDUSTRIAL Y AUTOMÁTICA DISEÑO DE UN SISTEMA DE ALIMENTACIÓN ININTERRUMPIDA DE 2000 VA 53 MEMORIA TRABAJO DE FIN DE GRADO Donde suponiendo conducción continua tenemos: a) Caso no controlado: b) Caso controlado: Para mi diseño, he escogido este tipo de rectificador. Es monofásico pues la carga considerada a alimentar es un equipo informático que se alimenta con tensión de red Fase-Neutro de 220-230V, por lo que únicamente utiliza una línea de alimentación. Por otra parte, la topología seleccionada de puente completo se ha escogido frente al resto de topologías monofásicas principalmente por las siguientes razones: - Es mucho más eficiente que el de media onda pues es capaz de usar el semiciclo positivo y negativo de la tensión de entrada. - El transformador que necesitamos para este tipo de montaje no requiere que tenga toma media, por lo que la magnitud de tensión en la salida será de la misma magnitud que la tensión en la entrada con lo que la relación de transformación será menor y por tanto, el sistema será más económico. Se usará una topología no controlada, es decir, con diodos semiconductores los cuales son los más usados en este tipo de diseños. Tampoco emplearemos un sistema de control como el SCR pues este diseño no está destinado a una aplicación donde se requiera realizar un control preciso de la potencia a transmitir pues la salida será la entrada de un inversor donde se desea tener tensión continua por un lado y transmitir la máxima potencia posible. INGENIERÍA ELECTRÓNICA INDUSTRIAL Y AUTOMÁTICA DISEÑO DE UN SISTEMA DE ALIMENTACIÓN ININTERRUMPIDA DE 2000 VA 54 MEMORIA TRABAJO DE FIN DE GRADO TRIFÁSICOS: - Rectificador trifásico de media onda: Consisten en conectar un diodo a la salida de cada arrollamiento, que se unirán en un punto común que después alimentará a la resistencia o carga del circuito. El retorno de la corriente se realiza a través de la línea de neutro. Figura 49 Topología rectificador trifásico de media onda Es evidente que el arrollamiento secundario está dispuesto en estrella y que de la unión común de las tres bobinas se saca la línea de neutro. Además, tal y como indica la imagen, cada bobina tendrá, con respecto a neutro, las tensiones V1, V2 y V3 respectivamente, que se producirán desfasadas 120º. Figura 50 Tensión rectificador trifásico de media onda Las tensiones V1, V2 y V3 están representadas en la gráfica, por las ondas roja, verde y azul. Pero en realidad, al haber colocado un diodo a cada salida, el semiciclo negativo de cada onda quedará suprimido, es decir, que la tensión que le llegue a la carga será la línea ondulada de color gris. INGENIERÍA ELECTRÓNICA INDUSTRIAL Y AUTOMÁTICA DISEÑO DE UN SISTEMA DE ALIMENTACIÓN ININTERRUMPIDA DE 2000 VA 55 MEMORIA TRABAJO DE FIN DE GRADO Figura 51 Tensión rectificador trifásico de media onda Analizando la imagen anterior, podemos observar que cada bobina alimentará la carga durante 1/3 del periodo y cada diodo estará conduciendo durante tanto tiempo como la corriente de su bobina sea superior que la de las demás. La línea de trazos de la imagen representa la duración de un ciclo, tal y como puede observarse. Como la corriente de alimentación de la carga la aportan tres bobinas en cada ciclo, esta será más continua. [23] - Rectificador trifásico de onda completa con fuente conectada en estrella: Si ahora disponemos de un puente hexadiodo, de manera que podamos rectificar el semiperiodo negativo, que antes quedaba anulado, la tensión producida será aún más continua que antes. Figura 52 Topología rectificador trifásico de onda completa Podemos observar como ahora, nuestro transformador, tiene a la salida de cada bobina dos diodos, de manera que se rectificará la onda completa. Para aclarar más aún el funcionamiento, vamos a representar las bobinas R, S y T desfasadas en el espacio 120º, pues constructivamente es como se encuentran. Imaginemos que la producción de corriente comienza en la bobina R-S (onda roja), siendo el semiperiodo positivo el que se produce a la salida de R. La corriente por tanto circulará hasta D1 que, por ser positiva, lo atravesará hasta la carga R y retornará por D5 hasta la bobina S. 180º después, se producirá el semiperiodo negativo, por lo que, al haber cambiado el sentido de la corriente, el positivo estará a la salida de la bobina S, atravesará el diodo D2 en dirección a la carga, retornando por D4 hasta la bobina R. INGENIERÍA ELECTRÓNICA INDUSTRIAL Y AUTOMÁTICA DISEÑO DE UN SISTEMA DE ALIMENTACIÓN ININTERRUMPIDA DE 2000 VA 56 MEMORIA TRABAJO DE FIN DE GRADO Figura 53 Conexionado trifásico en estrella Esta secuencia la repetimos para las bobinas S-T (onda verde), actuando D2 y D6 para el semiperiodo positivo y D3 y D5 para el semiperiodo negativo; y para las bobinas T-R (onda azul), en cuyo caso la secuencia será D3 y D4 para la semionda positiva y D1 y D6 para la semionda negativa. Ya sólo queda hacer un matiz, y es que el desfase entre el semiperiodo positivo y negativo es de 180º, mientras que el desfase entre arrollamientos es de 120º, por lo que antes de que el semiciclo de una de las bobinas haya finalizado, se estará produciendo la siguiente onda en otro arrollamiento. Esto queda de manifiesto si en la representación senoidal de un transformador trifásico, se solapan los semiciclos positivos y negativos. Figura 54 Tensión rectificador trifásico de onda completa Puede apreciarse como ahora el aporte de tensión es cada 1/6 del periodo, resultando una tensión aún más continua que antes. Si depuramos las partes de la onda que no afectan a la alimentación de la carga, resultará una señal como la que muestra la imagen inferior. [23] INGENIERÍA ELECTRÓNICA INDUSTRIAL Y AUTOMÁTICA DISEÑO DE UN SISTEMA DE ALIMENTACIÓN ININTERRUMPIDA DE 2000 VA 57 MEMORIA TRABAJO DE FIN DE GRADO Figura 55 Señal rectificada 4.7.1.2.- DIMENSIONADO Para el dimensionado del rectificador monofásico en puente se tendrán en cuenta 4 elementos: el diodo que permite ese cambio de tensión alterna a continua que necesitamos para cargar las baterías, el radiador el cual garantiza que la temperatura de la unión con el diodo sea la adecuada disipando calor, el transformador y el condensador de salida. TRANSFORMADOR: Teniendo en cuenta como veremos un poco más adelante que en el secundario del transformador necesitaremos 45,42 V para cargar las 3 baterías en serie que se pondrán a la salida del rectificador, calculamos la relación de transformación ya que sabemos que en el primario habrá 230V de la red. En ese caso nos queda una relación de transformación de 1:6, en base a esto colocaremos nuestro transformador. DIODOS: Se calculan la intensidad que atraviesa el diodo y la potencia que disipa el mismo. TENSIÓN EN SECUNDARIO E INTENSIDAD DIODOS: Para ello, partiremos del dato final del rectificador, es decir, de los 40 V en corriente continua que queremos tener a su salida para alimentar las 3 baterías en serie. INGENIERÍA ELECTRÓNICA INDUSTRIAL Y AUTOMÁTICA DISEÑO DE UN SISTEMA DE ALIMENTACIÓN ININTERRUMPIDA DE 2000 VA 64 MEMORIA TRABAJO DE FIN DE GRADO En un inversor se suelen usar semiconductores como los IGBT, tiristores y TRIAC. [24] A continuación, explicaré el funcionamiento del TRIAC ya que los tiristores y los IGBT están explicados en las páginas 37 y 42 respectivamente. TRIAC: El TRIAC es un componente electrónico semiconductor de tres terminales para controlar la corriente. Podríamos decir que un triac se utiliza para controlar una carga de CA (corriente alterna), semejante a como un transistor se puede utilizar para controlar una carga de CC (corriente continua). En definitiva, es un interruptor electrónico, pero para corriente alterna, se utilizan en muchas ocasiones como alternativas al relé. Su funcionamiento básico es cerrar un contacto entre dos terminales (ánodo 1 y 2) para dejar pasar la corriente (corriente de salida) cuando se le aplica una pequeña corriente a otro terminal llamado "puerta" o Gate (corriente de activación). Se seguirá permitiendo que la corriente fluya hasta que la corriente de salida disminuya por debajo de un valor determinado, llamada corriente umbral, o se corte la corriente totalmente de alguna forma, por ejemplo, con un interruptor o pulsador. Figura 62 Símbolo TRIAC INGENIERÍA ELECTRÓNICA INDUSTRIAL Y AUTOMÁTICA DISEÑO DE UN SISTEMA DE ALIMENTACIÓN ININTERRUMPIDA DE 2000 VA 65 MEMORIA TRABAJO DE FIN DE GRADO En el ánodo 1 y 2 se coloca el elemento de salida que queremos controlar con el triac (una lámpara, motor, etc.). [25] 4.7.2.1.- TIPOS DE INVERSORES MONOFÁSICOS: - Inversor monofásico en semipuente: Es la estructura más básica, se usa cuando se dispone de una tensión continua alta y para potencias de salida bajas o medias. El tamaño de los condensadores deberá ser lo suficientemente grande para que la tensión a través de ellos pueda considerarse constante. La tensión obtenida en los terminales VA0 variará entre VD/2 y – VD/2 con una secuencia que dependerá de la señal de control y la señal triangular. Dada la simetría de la tensión solo tiene armónicos impares El valor de la fundamental podrá calcularse mediante la expresión: Si la frecuencia de corte del filtro ha sido seleccionada adecuadamente, la tensión aplicada a la carga será muy similar a la fundamental. Los interruptores utilizados en el medio puente soportan una tensión igual a VD y una corriente de pico igual a la que circula por el filtro y la carga. [26] Figura 63 Inversor monofásico en semipuente esquema y formas de onda INGENIERÍA ELECTRÓNICA INDUSTRIAL Y AUTOMÁTICA DISEÑO DE UN SISTEMA DE ALIMENTACIÓN ININTERRUMPIDA DE 2000 VA 66 MEMORIA TRABAJO DE FIN DE GRADO - Inversor monofásico en puente: Esta estructura permite obtener a la salida la máxima tensión continua de la entrada, por lo que, a diferencia de la topología anterior, para una misma potencia requiere corrientes menores y por tanto las pérdidas serán menores comparando con la topología anterior. Sin embargo, el número de semiconductores necesarios serán el doble en comparación con las topologías de medio puente y push-pull. Esta topología se utiliza cuando tenemos una tensión continua en la entrada baja y la potencia de la carga en la salida es alta. La tensión máxima que deben soportar los semiconductores coincide con la tensión continua de entrada. Figura 64 Inversor monofásico en puente esquema Figura 65 Inversor monofásico en puente formas de onda Esta topología es la elegida en el inversor ya que permite una tensión de salida en 3 niveles por lo que las formas de control podrán ser mayores, también permite controlar la potencia de salida modificando el ángulo de deslizamiento para ajustar la amplitud del armónico fundamental de salida. INGENIERÍA ELECTRÓNICA INDUSTRIAL Y AUTOMÁTICA DISEÑO DE UN SISTEMA DE ALIMENTACIÓN ININTERRUMPIDA DE 2000 VA 67 MEMORIA TRABAJO DE FIN DE GRADO Por otra parte, se ha seleccionado un IGBT como interruptor de potencia frente a otros semiconductores pues nos ofrece las ventajas de los Mosfet y la capacidad de carga en corriente de los transistores bipolares BJT. Además, tiene un voltaje de saturación bajo que permite bajas pérdidas en conducción (menores que la de los Mosfet), puede trabajar con potencias mayores que un Mosfet y su control es por tensión en vez de corriente como en los transistores bipolares. [26] y [27] - Inversor monofásico en push-pull: El convertidor push-pull trabaja en el primer y tercer cuadrante. Es decir, el transformador se magnetiza y se desmagnetiza en un periodo de trabajo. Está compuesto por una especie de inversor que convierte la tensión continua en «alterna» utilizando dos transistores y un rectificador de onda completa (transformador con toma intermedia y dos diodos) y un filtro paso bajo. [27] En este conversor tenemos 4 periodos de trabajo: 1- 0<t<DTs: S1 ON, S2 OFF 2- DTs<t<Ts2: S1 OFF, S2 OFF 3- Ts2<t<Ts2+DTs: S1 OFF, S2 ON 4- Ts2+DTs<t<Ts: S1 OFF, S2 OFF Figura 66 Inversor monofásico en push-pull esquema INGENIERÍA ELECTRÓNICA INDUSTRIAL Y AUTOMÁTICA DISEÑO DE UN SISTEMA DE ALIMENTACIÓN ININTERRUMPIDA DE 2000 VA 68 MEMORIA TRABAJO DE FIN DE GRADO TRIFÁSICOS: - Inversor trifásico en puente: La siguiente topología es de un inversor trifásico en puente completo, el cual se compone de 6 transistores IGBTs, cada uno con un diodo en conexión inversa, empleados para conducir la corriente reactiva de retorno a la fuente de tensión E. Estos inversores se dividen según su forma de operar en: conducción a 180º de cada elemento, con lo cual habrá 3 elementos en conducción al mismo tiempo y conducción a 120º, con 2 elementos por vez. Además, pueden alimentar los dos tipos característicos de cargas trifásicas simétricas, conexión triángulo y estrella. [28] Figura 67 Inversor trifásico en puente esquema INGENIERÍA ELECTRÓNICA INDUSTRIAL Y AUTOMÁTICA DISEÑO DE UN SISTEMA DE ALIMENTACIÓN ININTERRUMPIDA DE 2000 VA 69 MEMORIA TRABAJO DE FIN DE GRADO Figura 68 Inversor trifásico en puente formas de onda con control PWM 4.7.2.2.- DIMENSIONADO IGBT’s: Calcularemos la corriente media que atraviesa los igbt’s y la potencia que disipan. Para la corriente media usaremos el cálculo de la corriente eficaz, aplicando un rendimiento del 90% y teniendo en cuenta la potencia final que se cede a las cargas conectadas sal SAI, es decir, 2000VA (1200W): 𝐼𝑚𝑒𝑑𝑖𝑎 =𝑃𝑓𝑖𝑛𝑎𝑙 𝑉∗𝑟𝑒𝑛𝑑𝑖𝑚𝑖𝑒𝑛𝑡𝑜∗𝑁º (1) INGENIERÍA ELECTRÓNICA INDUSTRIAL Y AUTOMÁTICA DISEÑO DE UN SISTEMA DE ALIMENTACIÓN ININTERRUMPIDA DE 2000 VA 70 MEMORIA TRABAJO DE FIN DE GRADO Donde: 𝑃𝑓𝑖𝑛𝑎𝑙 𝑒𝑠 𝑙𝑎 𝑝𝑜𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑐𝑒𝑑𝑖𝑑𝑎 𝑎 𝑙𝑎𝑠 𝑐𝑎𝑟𝑔𝑎𝑠 𝑉 𝑙𝑎 𝑡𝑒𝑛𝑠𝑖ó𝑛 𝑎 𝑙𝑎 𝑞𝑢𝑒 𝑠𝑒 𝑎𝑙𝑖𝑚𝑒𝑛𝑡𝑎𝑛 𝑙𝑎𝑠 𝑐𝑎𝑟𝑔𝑎𝑠. 𝑁º,𝑙𝑎 𝑐𝑎𝑛𝑡𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑑𝑒 𝑠𝑒𝑚𝑖𝑐𝑜𝑛𝑑𝑢𝑐𝑡𝑜𝑟𝑒𝑠 𝑝𝑜𝑟 𝑙𝑜𝑠 𝑞𝑢𝑒 𝑐𝑖𝑟𝑐𝑢𝑙𝑎 𝑐𝑜𝑟𝑟𝑖𝑒𝑛𝑡𝑒 𝑒𝑛 𝑐𝑎𝑑𝑎 𝑠𝑒𝑚𝑖𝑐𝑖𝑐𝑙𝑜. De modo que nos queda: 𝑰𝒎𝒆𝒅𝒊𝒂 =1200𝑊 220𝑉∗0,9∗2 = 3.03A. Ahora, calculamos la potencia disipada por cada semiconductor igbt: 𝑃𝑑𝑖𝑠𝑖𝑝𝑎𝑑𝑎 = 𝐼 ∗ 𝑉 (2) Donde: 𝐼 𝑒𝑠 𝑙𝑎 𝑖𝑛𝑡𝑒𝑛𝑠𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑚𝑒𝑑𝑖𝑎 𝑞𝑢𝑒 𝑐𝑖𝑟𝑐𝑢𝑙𝑎 𝑝𝑜𝑟 𝑐𝑎𝑑𝑎 𝑠𝑒𝑚𝑖𝑐𝑜𝑛𝑑𝑢𝑐𝑜𝑡𝑟 𝑖𝑔𝑏𝑡. 𝑉 𝑙𝑎 𝑡𝑒𝑛𝑠𝑖ó𝑛 𝑞𝑢𝑒 𝑐𝑎𝑒 𝑒𝑛 𝑐𝑎𝑑𝑎 𝑠𝑒𝑚𝑖𝑐𝑜𝑛𝑑𝑢𝑐𝑡𝑜𝑟 𝑖𝑔𝑏𝑡. De modo que nos queda: 𝑷𝒅𝒊𝒔𝒊𝒑𝒂𝒅𝒂 = 3.03 ∗ 2𝑉 = 𝟔.𝟎𝟔𝑾. RADIADORES: Se calculan los radiadores de la misma manera que en los diodos del rectificador, y se pondrá uno por cada semiconductor igbt: Usaremos las siguientes relaciones basadas en resistencias y Tª: 𝑅𝑡ℎ𝑟−𝑎 =𝑅𝑡ℎ𝑗−𝑎 −𝑅𝑡ℎ𝑗−𝑐 −𝑅𝑡ℎ𝑐−𝑟 (3) 𝑇 𝑗− 𝑇𝑎=𝑅𝑡ℎ𝑗−𝑎 ∗ 𝑃𝑑𝑖𝑠𝑖𝑝𝑎𝑑𝑎 (4) Donde: 𝑅𝑡ℎ𝑟−𝑎 𝑙𝑎 𝑟𝑒𝑠𝑖𝑠𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑟𝑎𝑑𝑖𝑎𝑑𝑜𝑟 𝑎𝑚𝑏𝑖𝑒𝑛𝑡𝑒. 𝑅𝑡ℎ𝑗−𝑎 𝑙𝑎 𝑟𝑒𝑠𝑖𝑠𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑢𝑛𝑖ó𝑛 𝑎𝑚𝑏𝑖𝑒𝑛𝑡𝑒. 𝑅𝑡ℎ𝑗−𝑐 𝑙𝑎 𝑟𝑒𝑠𝑖𝑠𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑢𝑛𝑖ó𝑛 𝑐𝑎𝑗𝑎. INGENIERÍA ELECTRÓNICA INDUSTRIAL Y AUTOMÁTICA DISEÑO DE UN SISTEMA DE ALIMENTACIÓN ININTERRUMPIDA DE 2000 VA 71 MEMORIA TRABAJO DE FIN DE GRADO 𝑅𝑡ℎ𝑐−𝑟 𝑙𝑎 𝑟𝑒𝑠𝑖𝑠𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑐𝑎𝑗𝑎 𝑟𝑎𝑑𝑖𝑎𝑑𝑜𝑟. 𝑇 𝑗 𝑒𝑠 𝑙𝑎 𝑡𝑒𝑚𝑝𝑒𝑟𝑎𝑡𝑢𝑟𝑎 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑢𝑛𝑖ó𝑛 𝑞𝑢𝑒 𝑠𝑒𝑟á 𝑑𝑒 𝑢𝑛𝑜𝑠 125º𝐶 (398 𝐾). 𝑇𝑎 𝑒𝑠 𝑙𝑎 𝑡𝑒𝑚𝑝𝑒𝑟𝑎𝑡𝑢𝑟𝑎 𝑎𝑙𝑟𝑒𝑑𝑒𝑑𝑜𝑟 𝑑𝑒𝑙 𝑒𝑞𝑢𝑖𝑝𝑜 𝑞𝑢𝑒 𝑠𝑒𝑟á 𝑑𝑒 𝑢𝑛𝑜𝑠 40º𝐶 (313𝐾). 𝑃𝑑𝑖𝑠𝑖𝑝𝑎𝑑𝑎 la potencia disipada en los igbt calculada antes. 𝑅𝑡ℎ𝑗−𝑐 y 𝑅𝑡ℎ𝑐−𝑟 serán sacadas del datasheet de los igbt’s: De esta manera, de la relación 4 despejamos y sacamos 𝑅𝑡ℎ𝑗−𝑎 =125−40 6,06𝑊 = 14 ºC/W. Y pasamos todos los datos a la relación 3 donde nos queda: 𝑹𝒕𝒉𝒓−𝒂 =14 − 1,9 − 7,5 = 4,6 ºC/W. Ahora, escogemos un radiador que nos sirva fijándonos en su catálogo en la curva Resistencia – Longitud para saber de qué longitud como mínimo hay que poner dicho radiador, cabe decir que se pondrá uno por cada diodo que compone el rectificador. Figura 69 Datasheet radiadores INGENIERÍA ELECTRÓNICA INDUSTRIAL Y AUTOMÁTICA DISEÑO DE UN SISTEMA DE ALIMENTACIÓN ININTERRUMPIDA DE 2000 VA 72 MEMORIA TRABAJO DE FIN DE GRADO Figura 70 Datasheet radiadores El radiador para 4,6 ºC/W deberá tener una longitud de 43mm, de modo que se toma un radiador con algo más de longitud para dar un margen. De esta manera, se ha escogido el radiador PE5-40, con una longitud de 50 mm que corresponde a una 𝑹𝒕𝒉𝒓−𝒂 de 3,4ºC/W. TRANSFORMADOR DE SALIDA: Se pondrá un transformador de salida para elevar la tensión de salida del inversor de 36V (3 baterías en serie) a 230V. Con una relación de transformación 1:6 y una intensidad de: 𝐼𝑇𝑅𝐴𝐹𝑂 =𝑃𝑠𝑎𝑙𝑖𝑑𝑎 𝑉=1200𝑊 36𝑉=33.33𝐴 INGENIERÍA ELECTRÓNICA INDUSTRIAL Y AUTOMÁTICA DISEÑO DE UN SISTEMA DE ALIMENTACIÓN ININTERRUMPIDA DE 2000 VA 73 MEMORIA TRABAJO DE FIN DE GRADO 4.7.2.3.- SIMULACIONES En este caso, la tensión que sale de las baterías es de 36V DC por lo que al simular el inversor partimos de dicha tensión, para finalmente conseguir una onda de pulso cuadrada de 36 V pico que salga del inversor: Para ello se ha usado el siguiente esquema para simular en el que he programado un bloque función de Matlab que haga que la corriente pase a través de los pulsos 1 y 2 en el semiciclo positivo y por los pulsos 3 y 4 en el semiciclo negativo activando con los pulsos las puertas de los IGBT`s de los que se compone nuestro inversor como he explicado anteriormente. Además, dicha función calcula la frecuencia angular y hace que el ángulo de pulso varíe entre 0 y 2pi, sino el ángulo iría creciendo en rampa matemáticamente. Todo esto, la función lo hace a partir del vector de entrada u, el cual tiene dos componentes, u1 que es la frecuencia de 50Hz a la que trabajamos y u2 que es el tiempo que está sucediendo en simulación: INGENIERÍA ELECTRÓNICA INDUSTRIAL Y AUTOMÁTICA DISEÑO DE UN SISTEMA DE ALIMENTACIÓN ININTERRUMPIDA DE 2000 VA 80 MEMORIA TRABAJO DE FIN DE GRADO Figura 78 Tensión de PWM Ahora, simularemos con una relación de frecuencias entre la onda portadora y la moduladora de 39, de esta manera, el filtro será más eficaz y la corriente saldrá con menos ruido y aún más senoidal y la onda cuadrada del PWM tendrá más pulsos por ciclo: Figura 79 Tensión de la carga y Corriente de filtro del inversor con PWM INGENIERÍA ELECTRÓNICA INDUSTRIAL Y AUTOMÁTICA DISEÑO DE UN SISTEMA DE ALIMENTACIÓN ININTERRUMPIDA DE 2000 VA 81 MEMORIA TRABAJO DE FIN DE GRADO Figura 80 Tensión de PWM Ahora ya comprobamos como efectivamente el inversor cumple su función coordinada con el método de control PWM y un filtrado de corriente eficaz, asumiendo unos valores correctos para alimentar las cargas. 4.7.4.- Baterías Se pondrán baterías de plomo-ácido sencillas por lo que no es necesario un cargador de baterías. El número de baterías de 12 V y 9Ah será de 3 en serie y está sacado del apartado de autonomía del SAI donde se demuestra que serán necesarias esas 3 baterías. 4.7.5.- Bypass El Bypass es principalmente un interruptor que permite que en funcionamiento normal la red eléctrica proporcione la alimentación a la carga mientras que, si se producen faltas en la red eléctrica o si la red eléctrica presenta una calidad INGENIERÍA ELECTRÓNICA INDUSTRIAL Y AUTOMÁTICA DISEÑO DE UN SISTEMA DE ALIMENTACIÓN ININTERRUMPIDA DE 2000 VA 82 MEMORIA TRABAJO DE FIN DE GRADO o características inferiores a las requeridas, el interruptor conmuta para permitir alimentar a la carga a través de la batería interna incorporada en el SAI. Primero, se realiza la sincronización de la tensión de red con la base de datos almacenada en una memoria dentro de la placa de evaluación del microprocesador. Dependiendo de la calidad buscada y de la precisión se elegirá una determinada frecuencia para comprobar el estado de la red eléctrica. La idea básica sería tener las muestras almacenadas en una memoria Flash y que en la primera puesta en marcha del SAI y por tanto del microprocesador se cargaran a la memoria interna del mismo para poder gestionar los datos con mayor velocidad. Una vez realizado el sincronismo, lo único que tenemos que hacer es ir tomando una muestra cada periodo de tiempo escogido y compararla con la de referencia de la tabla, pero multiplicada por unos factores de calidad. Con esto, ya tendremos lo necesario para construir el bypass. [29] 4.7.6.- Filtro de salida Será necesario filtrar todo tipo de perturbaciones a la salida del SAI pues las cargas conectadas pueden sufrir daños severos. Las corrientes armónicas generan una gran cantidad de perturbaciones con consecuencias perjudiciales: envejecimiento prematuro y destrucción de equipos, sobredimensionamiento de las instalaciones, disparos de las protecciones lo cual acarrea pérdidas de dinero, en cualquier caso. En los sistemas de comunicaciones se emplean filtros para dejar pasar solo las frecuencias que contengan la información deseada y eliminar las restantes. Los filtros son usados para dejar pasar solamente las frecuencias que pudieran resultar ser de alguna utilidad y eliminar cualquier tipo de interferencia o ruido ajeno a ellas. Existen dos tipos de filtros: INGENIERÍA ELECTRÓNICA INDUSTRIAL Y AUTOMÁTICA DISEÑO DE UN SISTEMA DE ALIMENTACIÓN ININTERRUMPIDA DE 2000 VA 83 MEMORIA TRABAJO DE FIN DE GRADO Filtros Pasivos: son aquellos tipos de filtros formados por combinaciones serie o paralelo de elementos R, L o C. Los filtros activos son aquellos que emplean dispositivos activos, por ejemplo, los transistores o los amplificadores operacionales, junto con elementos R L C. En general se tienen los filtros de los siguientes tipos: Paso alto Paso bajo Paso banda Para cada uno de estos filtros existen dos zonas principales las cuales son llamadas Banda de paso y la banda de atenuación. En la banda de paso, es donde las frecuencias pasan con un máximo de su valor, o hasta un valor de 70.71% con respecto a su original (la cual es la atenuación de –30 dB). [29] Filtro paso bajo: Es el primer filtro que se tiene, su funcionamiento es a base de un condensador y resistencia, este filtro tiene la siguiente configuración: Figura 81 Esquema filtro paso bajo El condensador se comporta como una resistencia dependiente de la frecuencia por la relación de: INGENIERÍA ELECTRÓNICA INDUSTRIAL Y AUTOMÁTICA DISEÑO DE UN SISTEMA DE ALIMENTACIÓN ININTERRUMPIDA DE 2000 VA 84 MEMORIA TRABAJO DE FIN DE GRADO Es decir, para frecuencias muy bajas el condensador (por la regla de división de voltaje) al ser una resistencia muy alta, consume todo el voltaje, si s e conecta la salida en paralelo al condensador se tendrá el máximo de voltaje a la salida. Conforme aumentemos la frecuencia de la fuente el condensador disminuye su impedancia, con lo que el voltaje que disipa disminuye, hasta tender a cero. [29] Este tipo de filtro tiene una gráfica de respuesta en frecuencia: Figura 82 Gráfica filtro paso bajo La magnitud y la frecuencia de corte quedan expresadas como: Filtro Paso-alto: Este es el segundo de los filtros pasivo, el único cambio que presenta es la conexión de la salida, la cual en vez de tomarse del condensador se toma de la resistencia lo cual nos provoca que en vez de dejar “pasar” las frecuencias bajas pasen las frecuencias altas. Figura 83 Esquema filtro pasa altas INGENIERÍA ELECTRÓNICA INDUSTRIAL Y AUTOMÁTICA DISEÑO DE UN SISTEMA DE ALIMENTACIÓN ININTERRUMPIDA DE 2000 VA 85 MEMORIA TRABAJO DE FIN DE GRADO Como ya se ha dicho, el circuito físicamente es igual que el anterior, solamente la salida se toma de la resistencia. Explicación, cuando la frecuencia es demasiado baja, el voltaje se consume casi en su totalidad en el condensador, el cual se comporta como una impedancia de valor muy alto, por lo que en la salida no se tiene casi voltaje, cuando la frecuencia aplicada es aumentada se tiene que el valor de la impedancia representada por el condensador disminuye hasta que casi no consume voltaje, y la mayoría del voltaje se tiene a la salida. Figura 84 Gráfica filtro paso alto Estos dos filtros tienen un valor llamado frecuencia de corte, la cual es el valor de la frecuencia a partir del cual se considera que ya está filtrando las señales. Esta frecuencia está determinada como la frecuencia en la que el valor de la salida con respecto a la entrada tiene una atenuación de -3dB. (o la salida es .717 del valor de la entrada). Dependiendo de los valores elegidos de resistencia y capacitancia será el valor de la frecuencia de corte. Pero, para una resistencia fija, el valor de la frecuencia de corte depende del valor del condensador. [29] Filtro paso banda: Este es un filtro que se compone de un filtro pasa bajas y uno pasa altas conectados en cascada. Los componentes se deben de seleccionar para que la frecuencia de corte del filtro pasaaltas sea menor que la del filtro pasabajas. INGENIERÍA ELECTRÓNICA INDUSTRIAL Y AUTOMÁTICA DISEÑO DE UN SISTEMA DE ALIMENTACIÓN ININTERRUMPIDA DE 2000 VA 86 MEMORIA TRABAJO DE FIN DE GRADO Figura 85 Esquema filtro paso banda Figura 86 Gráfica filtro paso banda Las frecuencias de corte se pueden calcular con las fórmulas anteriores. La característica más importante de este circuito es el ancho de banda que permitiremos pasar, el ancho de banda es igual a la resta de las frecuencias de corte. [29] En este caso, usaremos un filtro tipo “pi”, es un filtro CLC el cual se puede aproximar a un tipo de filtro Butterworth de tercer orden, pues por tener tres elementos pasivos presenta tres polos. La función de transferencia que sigue este tipo de filtros será: Donde N se corresponde con el orden del filtro, en nuestro caso 3. Para determinar la frecuencia de corte del filtro de salida del inversor, aplicaremos la fórmula de la función de transferencia para el filtro de orden 3 para la tercera componente armónica. INGENIERÍA ELECTRÓNICA INDUSTRIAL Y AUTOMÁTICA DISEÑO DE UN SISTEMA DE ALIMENTACIÓN ININTERRUMPIDA DE 2000 VA 87 MEMORIA TRABAJO DE FIN DE GRADO 5.-CONCLUSIONES El objeto de este estudio ha sido realizar un Sistema de Alimentación Ininterrumpida que nos pueda ofrecer energía eléctrica en momentos en los que la red nacional caiga, además de filtrar cualquier tipo de perturbación que haga que las cargas conectadas disminuyan su vida útil y haya pérdidas de potencia mayores. De esta manera, se decidió realizar un SAI en topología ON-LINE de manera que si por algún casual el SAI falla, las cargas tomen directamente energía de la red y nunca tengan falta de electricidad. Más tarde, se fueron diseñando y explicando en detalle todos los elementos que constituyen el sistema, así como sus cálculos necesarios para proporcionar la potencia requerida de 2000VA a las cargas conectadas. Como posibles mejoras en este proyecto estaría la implementación de control digital empleando por ejemplo microprocesadores para el disparo de los polos de potencia, lo que proporcionaría una gran flexibilidad pues modificando el programa se podrían realizar cambios sin tener que modificar el hardware. Otra posible mejora podría ser la incorporación de baterías externas al SAI para conseguir mayor autonomía y la gestión de estas. INGENIERÍA ELECTRÓNICA INDUSTRIAL Y AUTOMÁTICA DISEÑO DE UN SISTEMA DE ALIMENTACIÓN ININTERRUMPIDA DE 2000 VA 88 MEMORIA TRABAJO DE FIN DE GRADO INGENIERÍA ELECTRÓNICA INDUSTRIAL Y AUTOMÁTICA DISEÑO DE UN SISTEMA DE ALIMENTACIÓN ININTERRUMPIDA DE 2000 VA 89 MEMORIA TRABAJO DE FIN DE GRADO 6.-BIBLIOGRAFÍA [1] Hiper Shops (9 de marzo de 2016). ¿Qué es un SAI? Tipos de SAI. [Entrada de Blog]. Recuperado de https://todosai.com/blog/que-es-un-sai-tipos-de-sai- b31.html (Consultado 15/02/2021) [2] Seymour, J. (2010). 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