5. Remote Maintenance
5.5 Monitoring Remote Maintenance
En esta sección se hace una comparación de los SAI presentados en este capítulo con otros esquemas reportados en la literatura. Los elementos que se comparan son número de etapas, cantidad de semiconductores, bus de baterías, aislamiento, complejidad de operación, THD de la corriente de entrada y eficiencia. Se comparan los SAI de doble conversión, esto de acuerdo a las clasificación de SAI´s presentada en el capítulo uno.
Los SAI comparados son los dos esquemas implementados y algunos de los considerados como los mejores de los reportados en la literatura: el esquema aquí propuesto con un cargador de baterías integrado (SAIP1), el esquema aquí propuesto con cargador de baterías separado(SAIP2) y los esquemas reportados en la literatura , los cuales fueron presentados en el capítulo uno. El análisis comparativo se resume en la Tabla 4.1.
En la Tabla 4.1 se muestra que el mejor esquema de los reportados en la literatura por número de etapas, es el reportado en [39], pero no es la mejor opción, ya que tiene un bajo factor de potencia debido a que la corriente de entrada tiene una alta THD, además de que se utiliza un transformador de baja frecuencia, resultando un sistema pesado y voluminoso.
Tabla 4.1 Comparación de esquemas de SAI de doble conversión No. de semiconductores Característica Esquema No. de etapas Diodos Mosfet o IGBT Bus de baterías Aislamiento Complejidad de operación THD en corriente Eficiencia
SAIP1 2 2 7 bajo Entrada/
Salida
Media Muy baja Buena 80%
SAIP2 3 3 6 bajo Entrada/
Salida
Baja Muy baja Buena 80% Esquema
reportado en [34]
4 6 14 bajo Total Alta Muy baja Buena
80%
Esquema reportado en
[35]
3 5 10 bajo Sólo batería Baja Muy baja Buena 80%
Esquema reportado en
[36]
3 2 12 bajo Total Alta Muy baja Buena
Esquema reportado en
[38]
3 6 8 alto Entrada/
Salida
Media Muy baja Muy buena 90% Esquema reportado en [39] 2 4 6 alto Entrada/ Salida (de baja frecuencia)
Baja Alta Muy buena 90%
El segundo mejor esquema de los reportados en la literatura por la eficiencia es el de [38], esto se debe a que incluye conmutación suave en el primer convertidor y el inversor es de polaridad. Sin embargo, tiene la gran desventaja de que el bus de baterías es alto, lo que trae como resultado un sistema pesado y con un mantenimiento complicado para las baterías.
Los otros esquemas reportados en la literatura, sin duda son buenos esquemas por sus características, pero utilizan muchos componentes y son relativamente complejos en su operación.
Los esquemas propuestos e implementados en este capítulo mejoran las características de dichos esquemas por el número de etapas, o bien por la cantidad de semiconductores utilizados. Esto se debe en gran medida al uso del inversor con capacidad de elevación: el inversor elevador.
os sistemas de alimentación ininterrumpible reportados en la literatura presentan diversas desventajas que pueden ser: uso de múltiples etapas, bus de baterías de alta tensión, o bien muchos componentes. Para mejorar las características de estos sistemas se propone el uso del inversores con capacidad de elevación de tensión, por lo que no tan sólo la eficiencia se beneficia, sino también el costo.
Los inversores con capacidad de elevación, a diferencia de los inversores tradicionales, pueden además de invertir elevar tensión. Dichos convertidores están constituidos por dos convertidores cd/cd bidireccionales en corriente. Se estudiaron e implementaron los esquemas de inversores basados en convertidores cd/cd elevador y reductor/elevador, ya que son los que utilizan un mínimo de componentes y que realmente significan un ahorro. Se concluye del análisis que el inversor elevador es mejor opción que el inversor reductor elevador, ya que tiene la ventaja de tener un capacitor más pequeño y menor contaminación, aunque las diferencias son mínimas entre ambos inversores.
Así mismo se estudiaron diversas estrategias de control. El control por modos deslizantes proporciona mejores características de respuesta dinámica y estabilidad del sistema retroalimentado ante variaciones grandes de carga que las estrategias de control tradicionales. El control basado en pasividad ofrece características de estabilidad inherentes por la teoría que envuelve al diseño. El controlador no lineal evita el uso de sensores de corriente y por lo tanto su implicación en reducción de costo. Además se estudiaron variantes de las técnicas mencionadas.
El propósito de utilizar una buena estrategia de control es poder suministrar una tensión de salida senoidal con la mínima distorsión posible sin importar el tipo de carga que se le presente.
Finalmente fueron implementados y probados con el inversor elevador cinco controladores, cada uno con ventajas y desventajas. Realmente todas las estrategias de control implementadas tienen buenas características en cuanto a respuesta dinámica, por lo que los criterios que determinan cual de las estrategias es la mejor, pueden ser el costo, la facilidad de implementación y la emisión de ruido.
Como se discute en el capítulo tres, realmente discernir entre una técnica y otra es complicado, pero basándose en el costo, el controlador no lineal con sólo retroalimentación de tensión (NLC) y el controlador por modos deslizantes sin sensores de corriente (SMCSS) serían las mejores debido a que se elimina el uso de sensores de
Las técnicas que ofrecen las mejores características de respuesta dinámica son el controlador por modos deslizantes (SMC) y el controlador no lineal con sólo retroalimentación de tensión (NLC). Se supone que el controlador PSMC debería tener la mejor respuesta, pero como tiene un problema en estado estacionario, no es evidente la rapidez.
Las técnicas con una menor emisión de ruido son el controlador basado en pasividad (MPBC) y el controlador no lineal con sólo retroalimentación de tensión (NLC).
Es importante resaltar que estas características son de acuerdo a la forma de implementación; ya que por ejemplo el control por modos deslizantes puede implementarse con frecuencia fija, disminuyendo la emisión de ruido, y para ello es necesario cambiar la forma en que se implementó, complicándola un poco más.
También se propusieron e implementaron diversos esquemas de SAI que utilizan el inversor elevador. Con estos esquemas se logra una reducción efectiva de etapas y componentes comparado con los esquemas reportados en la literatura. Se estudió un esquema con un cargador de baterías integrado y otro con el cargador de baterías en forma separada.
Logros obtenidos
La presente tesis dio lugar a varias publicaciones. En congresos internacionales de electrónica de potencia como IEEE Power Electronics Especialists Conference PESC, IEEE Applied Power Electronics Conference APEC, IEEE Internacional Simposioum on Industrial Electronics ISIE. En congresos internacionales de control como el Congreso Latinoamericano en Control Automático CLCA. Y en una revista de electrónica de potencia, IEEE Transactions on Power Electronics.
Los artículos más importantes publicados son:
y N. Vázquez, D. Cortés, C. Hernández, J. Alvarez, J. Arau, Jq Alvarez. “A New
Non Lineal Control Strategy for the Boost Inverter” IEEE Power Electronics
Specialists Conference PESC’03. Junio 2003. Acapulco, México. pp 1403-1407.
y N. Vázquez, C. Hernández, J. Alvarez, J. Arau. “Sliding Mode Control for
DC/DC converters: a New Sliding Surface” IEEE International Symposium on
IEEE Transactions on Power Electronics. Vol 17, no. 3 , mayo 2002, pp 405-
412.
y N. Vázquez, J. Alvarez, J. Arau.“Passivity Based Control for the Boost Inverter:
Details of Implementation” Congreso Latino-americano en Control Automático
CLCA’02.
y E. Rodriguez, N. Vázquez, C. Hernández, H. Visairo, J. Arau. “A Novel AC-
UPS with PFC and Fast Dynamic Response”, IEEE Applied Power Electronics
Conference -APEC’01, pp. 893 – 899
y N. Vázquez, J. Almazan, J. Alvarez, C. Aguilar, J. Arau. “Analysis and
Experimental Study of the Buck, Boost and Buck-Boost Inverters”, IEEE Power
Electronics Specialists Conference -PESC’99, pp. 801 – 806
Hay otras publicaciones del trabajo de tesis, pero en congresos de un poco menor relevancia.
También como parte de la formación doctoral se asesoraron diferentes tesis de maestría, tres de ellas en tópicos diferentes a la que se realizó la investigación del tema de tesis doctoral. Los artículos más importantes publicados son:
y C. Hernández, N. Vázquez, E. Rodriguez, R. Osorio, J. Arau. “Voltage
Regulator with Unity Power Factor and High Efficiency” IEEE Power
Electronics Specialists Conference -PESC’01, pp. 1653 – 1658
y N. Vázquez, J. López, C. Hernández, E. Rodriguez, J. Arau. “A Different
Approach to Implement an Active Input Current Shaper” IEEE Power
Electronics Specialists Conference -PESC’02, pp. 1126-1131
Trabajos futuros
En el desarrollo de la tesis se vislumbraron otros posibles trabajos dentro del tema, algunos de ellos encaminados a tratar de eliminar en la medida de lo posible el reciclado de energía de los inversores con capacidad de elevación y así incrementar su eficiencia. Para esto podrían utilizarse técnicas para procesar menos la energía como las estudiadas en convertidores ca/cd con alto factor de potencia. Otra forma de incrementar la eficiencia del convertidor es utilizar la técnica de conmutación suave.
El esquema del inversor elevador puede extrapolarse también a sistemas trifásicos, ampliándose así la versatilidad del convertidor. En el apéndice B se presenta un breve estudio de la configuración trifásica del inversor elevador, pero todavía pueden realizarse estudios sobre dichos convertidores.
Los inversores con capacidad de elevación fueron propuestos para los sistemas de alimentación ininterrumpible, esto debido a las ventajas de elevar e invertir en una sola etapa. Sin embargo su uso puede extenderse a otras aplicaciones: por ejemplo en sistemas fotovoltaicos, donde dependiendo de la aplicación es necesario producir una tensión alterna a partir de un bus de corriente directa de 48V [54].
En el desarrollo de la tesis se estudiaron e implementaron diferentes técnicas de control para el inversor con capacidad de elevación, sin embargo el área de control es tan amplia que es posible estudiar otras técnicas de control que permitan obtener un mejor desempeño del sistema.
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Existen diversas configuraciones de sistemas de alimentación ininterrumpible reportadas en la literatura, la clasificación aquí presentada es acorde a la discutida en la norma IEC 62040-3, en los apéndices A y B de dicha norma [3].
Para que un SAI pueda hacer adecuadamente esta función se requiere de tres etapas, una etapa de rectificación (conversión ca/cd) con la cual se carga un batería que se utilizará para suministrar la energía cuando falla la línea de alimentación (cargador de baterías) y una etapa que convierte la tensión continua en tensión alterna con la que se alimentan los equipos eléctricos y electrónicos (convertidor cd/ca o inversor).
El esquema más sencillo de SAI es el que se muestra en la Fig. a.1, consta de dos etapas, la primer etapa es un rectificador que tiene también la función de cargador de baterías, y la segunda etapa es la de inversión. En este esquema la única manera de entregar energía a la carga es a través de dichas etapas y no se puede suministrar directamente de la línea de alimentación; es importante notar que la batería siempre está siendo cargada, aún en condiciones normales de operación (aunque la línea de alimentación no haya fallado), lo que provoca que la batería se sobrecargue y por lo tanto disminuya su vida útil [55].
ETAPA RECTIFICADORA ETAPA INVERSORA ENTRADA CA SALIDA CA BATERIA BUS DE CD ETAPA RECTIFICADORA ETAPA INVERSORA ETAPA RECTIFICADORA ETAPA INVERSORA ENTRADA CA SALIDA CA BATERIA BUS DE CD
Figura a.1 Esquema simple de SAI
Una variante del esquema anterior que permite dar un mejor manejo a la batería, aumentando su vida útil, es utilizar el cargador de baterías por separado [55,56]. Este esquema se muestra en la Fig. a.2; a este esquema se le llama de doble conversión, por los modos de operación. Este esquema opera en modo normal cuando se entrega energía a la carga a través del rectificador y el inversor, donde la batería no interviene; y el esquema opera en modo de energía almacenada (respaldo) cuando la energía es entregada a la carga por medio de la batería y el inversor. En este esquema, al igual que en el anterior, no hay manera de entregar energía a la carga directamente de la línea de alimentación.
η1 X η2
BATERÍA CARGADOR DE BATERÍA (OPCIONAL) INTERRUPTOR ENTRADA CA 1 Modo Normal
Modo de Energía Almacenada
1Las entradas pueden ser cortocircuitadas
BATERÍA CARGADOR DE BATERÍA (OPCIONAL) INTERRUPTOR ENTRADA CA 1