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UNIVERSIDAD CARLOS III DE MADRID
ESCUELA POLITÉCNICA SUPERIOR
Dpto. Tecnología Electrónica
GRUPO DE SISTEMAS ELECTRÓNICOS DE POTENCIA (GSEP)

“DISEÑO DE UN CONTROL DE BAJO COSTE
PARA LA REDUCCIÓN DE LA DISTORSIÓN
ARMÓNICA TOTAL EN LA TENSIÓN DE SALIDA
DE INVERSORES EMBARCADOS”

PROYECTO FIN DE CARRERA
INGENIERÍA INDUSTRIAL
AUTOR:
CARLOS LUCENA FERNÁNDEZ
TUTORES:
CARRLOS DAVVID MARTTÍNEZ NIEETO
ANTONIO LÁZARO BLANCO

ABRIL 2010   
UNIVERSIDAD CARLOS III DE MADRID
ESCUELA POLITÉCNICA SUPERIOR
Dpto. Tecnología Electrónica
GRUPO DE SISTEMAS ELECTRÓNICOS DE POTENCIA (GSEP)

“DISEÑO DE UN CONTROL DE BAJO COSTE
PARAA LA REEDUCCCIÓN DDE LA DDISTORRSIÓN
ARMÓNICA TOTAL EN LA TENSIÓN DE SALIDA
DE INVERSORES EMBARCADOS”

PROYECTO FIN DE CARRERA
INGENIERÍA INDUSTRIAL
AUTOR:
CARLOS LUCENA FERNÁNDEZ
TUTORES:
CARLLOS DAVVID MARRTÍNEZ NNIETO
ANTONIO LÁZARO BLANCO
 Proyecto Fin de Carrera  Índice. 
 
 
 
 
 
 
 
 
Índice 
   

 Proyecto Fin de Carrera  Índice. 
 
 
 
Índice 
Índice ........................................................................................................................................................................... i 
Capítulo 1: ................................................................................................. 1 
1  Introducción y Objetivos .......................................................................................................................... 3 
1.1  Introducción ......................................................................... 3 
1.2  Ámbito del proyecto Fin de Carrera .......................................................................................... 3 
1.3  Estado de la técnica ........................................................... 4 
1.3.1  Control mediante múltiples lazos. .................................................................................... 5 
1.3.2  Filtros activos. ........................................................................................................................... 9 
1.3.3  Rectificador PWM. .................................................. 10 
1.3.4  Técnicas de Modulación. ..................................................................................................... 10 
1.3.4.1  PWM. ....................................................................... 10 
1.3.4.2  Eliminación de Armónicos. ........................................................................................... 11 
1.3.4.3  Cancelación de 13 
1.4  Solución propuesta ......................................................................................................................... 14 
1.5  Objetivos .............................................................................. 15 
1.6  Estructura del documento ............................................ 15 
Capítulo 2: .............................................................................................................................................................. 17 
2  Principio de funcionamiento ................................................. 19 
2.1  Esquema eléctrico ........................................................................................................................... 19 
2.2  Ecuaciones básicas de Cancelación de Armónicos............................................................. 20 
2.3  Modelado de la corriente demandada por la carga no lineal ........................................ 21 
2.3.1  Estimación de corriente para modo de conducción discontinuo (MCD) ........ 22 
2.3.2 e corriente para modo de conducción continuo (MCC) ............... 24 
2.4  Frontera MCC‐MCD. Detección del modo de conducción ............................................... 26 
2.5  Generación de patrones de disparo ......................................................................................... 27 
2.5.1  Determinación de tensión pre‐distorsionada objetivo .......................................... 27 
2.5.2  Obtención de los ángulos de disparo ............................................................................. 27 
Capítulo 3: .............................................................................................................................................................. 29 
3  Implementación .......................................................................... 31 
3.1  Descripción del sistema de control .......................................................................................... 31 
ii 
 Proyecto Fin de Carrera  Índice. 
 
 
 
3.2  Tarjeta de sensado .......................................................................................................................... 32 
3.2.1  Sensado de tensiones ............................................ 33 
3.2.2  Sensado de corrientes ........................................... 34 
3.2.3  Acondicionamiento de la señal......................................................................................... 34 
3.3  Librerías dinámicas ........................................................................................................................ 35 
3.3.1  Opción 0 ...................................................................... 35 
3.3.2  Opción 1 ................ 36 
3.4  Interfaz I2C .......................................................................... 38 
3.5  Cargador de EEPROM .................................................................................................................... 40 
3.5.1  La consola de comandos ..................................................................................................... 41 
3.5.2  “Wrapper” .................................................................. 42 
3.6  Implementación del control ......................................... 43 
3.6.1  Generación de pulsos ........................................................................................................... 45 
3.6.1.1  Cálculo de pulsos ................................................ 45 
3.6.1.2  Salida de pulsos .................................................. 47 
3.6.2  Tiempos muertos .................................................... 47 
3.6.3  Cambio de fila .......................................................................................................................... 49 
3.6.3.1  Reducción de transitorios ............................................................................................. 50 
3.6.4  Zona muerta .............................................................. 51 
3.6.5  Reguladores ............ 52 
3.6.5.1  Ajuste de ADCs ................................................................................................................... 52 
3.6.5.2  Regulador feed‐forward ................................................................................................. 53 
3.6.5.3  Regulador PI ......................................................... 54 
3.6.5.4  Anti‐windup ......................................................... 55 
3.6.6  Comunicación por puerto serie ........................................................................................ 55 
Capítulo 4: .............................................................................................................................................................. 59 
4  Validación mediante simulación ......................................................................................................... 61 
3.7  Esquema del sistema ....................................................... 61 
3.8  Resultados de simulación .............................................. 62 
3.8.1  Comparación Eliminación de armónicos frente Cancelación. ............................. 62 
4.2.2  Variación de la tensión de alimentación del inversor. ............................................ 63 
4.2.3  Variación de las condiciones de trabajo de la carga no lineal. ............................ 65 
iii 
 Proyecto Fin de Carrera  Índice. 
 
 
 
4.2.3.1  Cambio en la potencia entregada a la carga no lineal.MCC frente MCD. .... 65 
4.2.3.2  Cambio en la referencia de tensión del cargador de baterías a potencia de 
salida constante. ................................................................................................................................... 67 
4.2.4  Funcionamiento del sistema en bucle cerrado con filtro de entrada. .............. 69 
Capítulo 5: ............................................................................................... 71 
5  Validación experimental ......................................................... 73 
5.1  Características del prototipo ...................................................................................................... 73 
5.2  Resultados experimentales .......................................... 78 
5.2.1  MCD, 5% PAC ............................................................ 78 
5.2.2  MCC, 30% PAC .......................................................... 78 
5.2.3  Lazo cerrado .......................................................................... 79 
5.2.4  Características implementadas ........................................................................................ 81 
5.2.4.1  Tiempos muertos ............................................... 82 
5.2.4.2  Cambio de fila ...................................................... 82 
5.2.4.3  Transitorios ......................................................................................................................... 83 
Capítulo 6: .............................................................................................................................................................. 85 
6  Estudio Económico. ................................................................... 87 
6.1  Coste del material. ............................................................ 87 
6.2  Coste de desarrollo de ingeniería. ............................................................................................ 87 
6.3  Presupuesto. ....................................................................... 88 
Capítulo 7: .............................................................................................................................................................. 89 
7  Conclusiones y Trabajos Futuros. ....................................... 91 
7.1  Conclusiones. ...................................................................... 91 
7.2  Trabajos Futuros. ............................................................................................................................. 91 
Bibliografía y Referencias ................................................................ 93 
Anexo A: .................................................................................................................................................................. 99 
Anexo B: .......................................... 101 
Anexo C: 107 
Anexo D: 117 
Anexo E: ............................................................................................................................................................... 121 
Anexo F: 137 
 
iv 
 Capítulo 1: 
Proyecto Fin de Carrera 
Introducción y Objetivos.  
 
 
 
 
 
 
 
Capítulo 1: 
Introducción y Objetivos 
 
 
1  Introducción y Objetivos .......................................................................................................................... 3 
1.1  Introducción ......................................................................... 3 
1.2  Ámbito del proyecto Fin de Carrera ........................... 3 
1.3  Estado de la técnica ........................................................... 4 
1.3.1  Control mediante múltiples lazos. .................................................................................... 5 
1.3.2  Filtros activos. ........................................................................................................................... 9 
1.3.3  Rectificador PWM. .................................................. 10 
1.3.4  Técnicas de Modulación. ...................................... 10 
1.3.4.1  PWM. ....................................................................... 10 
1.3.4.2  Eliminación de Armónicos. ........................................................................................... 11 
1.4  Solución propuesta ......................................................................................................................... 13 
1.5  Objetivos .............................................................................. 15 
1.6  Estructura del documento ............................................ 15 
 
 
1 Capítulo 1: 
Proyecto Fin de Carrera 
Introducción y Objetivos.  
 
 
1 Introducción y Objetivos 
1.1  
El presente proyecto ha sido realizado dentro del Grupo de Sistemas Electrónicos de Potencia, 
perteneciente  al  departamento  de  Tecnología  Electrónica  de  la  Universidad  Carlos  III  de 
Madrid, y en colaboración con la empresa SEPSA (Sistemas Electrónicos de Potencia S.A.). Con 
objeto de respetar la confidencialidad del proyecto, algunos datos han sido omitidos en la 
redacción del presente documento. 
1.2 Ámbito del proyecto Fin de Carrera 
A lo largo del presente documento, en el apartado de adecuación de la energía, entra en juego 
la Electrónica de Potencia, la cual es una disciplina que abarca tanto a la propia Electrónica 
como a la Electricidad. Los circuitos electrónicos de potencia convierten la energía eléctrica de 
un tipo en otro por medio de la utilización de dispositivos electrónicos formados básicamente 
por  semiconductores.  Las  aplicaciones  de  la  Electrónica  de  Potencia  son,  entre  otras,  la 
conversión de corriente alterna  en corriente continua, la conversión de continua en alterna, la  de continua no regulada en tensión continua regulada y la conversión de  de 
determinada frecuencia y amplitud en otra corriente alterna de distinta frecuencia y amplitud. 
En la actualidad, son muchas las aplicaciones en las que se genera una red trifásica a partir de 
una tensión continua mediante un inversor. Esta solución es común en sistemas embarcados 
tales  como  aplicaciones  navales  y  ferroviarias.  Otros  ejemplos  pueden  ser  sistemas  de 
alimentación ininterrumpida (SAI´s) y grupos electrógenos con velocidad variable del motor de 
combustión.  
En sistemas ferroviarios es necesario alimentar una serie de servicios auxiliares tales como aire 
acondicionado, iluminación, motores, …, que precisan tensión CA para su funcionamiento. 
Para ello, se genera una red trifásica mediante un inversor que se alimenta a partir de la 
tensión CC de la catenaria.  
La tensión CA que se proporciona a las distintas cargas debe ser lo más sinusoidal posible, y 
para garantizarlo se establecen unas especificaciones relativas a la DAT máxima admisible en 
dicha tensión. Estas especificaciones pueden llegar a ser muy restrictivas, hasta establecer una 
DAT máxima del 5% incluso cuando el inversor debe alimentar cargas no lineales. 
El sistema que se pretende mejorar es un sistema utilizado en los trenes desde hace tiempo y 
que proporciona una buena relación coste – fiabilidad – peso. Dicho sistema se representa 
esquemáticamente en la Figura 1.1. 
3 Capítulo 1: 
Proyecto Fin de Carrera 
Introducción y Objetivos.  
 
 
TRANSFORMADOR DE
POTENCIACATENARIA
CARGA CA
FILTRO INVERSOR FILTRO CA CARGADOR BATERÍA
ENTRADA  
Figura 1.1: Diagrama de bloques de un convertidor estático para alimentar los servicios auxiliares 
de un tren. 
Como  se  puede  observar  en  la  Figura  1.1,  el  elemento  básico  del  sistema  es  el  inversor 
trifásico. Dicho inversor se alimenta de la catenaria a través de un filtro LC que impone la 
dinámica del sistema. 
Aguas  abajo  del  inversor  se  sitúan  un  segundo  filtro  LC  (filtro  CA)  y  un  transformador 
conectados a la salida del inversor que son los encargados de adaptar los niveles de tensión y 
de proporcionar una tensión de salida que cumpla las especificaciones relativas a su valor 
eficaz y a la DAT. Conectado directamente al secundario de dicho transformador, se encuentra 
el bus CA que alimentará a las cargas lineales. 
Además de alimentar las cargas mencionadas en el párrafo anterior, es necesario contemplar 
la carga de una serie de baterías. Para ello, se genera una tensión continua mediante un 
rectificador de 6 pulsos conectado al terciario del transformador. Dicho rectificador demanda 
una corriente no sinusoidal que presenta un alto contenido de armónicos de baja frecuencia 
(BF), es decir, constituye una carga no lineal. 
La corriente demandada por el cargador de baterías provoca la aparición de una serie de 
armónicos de tensión en la bobina de filtro y como consecuencia la tensión de salida se 
distorsiona, con el consiguiente aumento de la DAT. 
A lo largo del estado de la técnica, se exponen distintas técnicas que permiten reducir la 
Distorsión Armónica Total y que han sido ampliamente referenciadas. Sin embargo, dadas las 
características de este sistema en concreto, no son directamente aplicables por las razones 
que se expondrán posteriormente. Así mismo, se incluye una descripción de la técnica que se 
propone investigar en este proyecto. 
1.3 Estado de la técnica 
La  mayor  parte  de  las  técnicas  que  permiten  reducir  la  DAT  presente  en  la  tensión  de 
salida están relacionadas con la estrategia de control del inversor o con la modulación del 
mismo.