{"id":112084,"date":"2018-03-11T10:38:54","date_gmt":"2018-03-11T10:38:54","guid":{"rendered":"https:\/\/www.deberes.net\/tesis\/sin-categoria\/tecnicas-avanzadas-de-modulacion-para-la-reduccion-de-la-distorsion-armonica-total-dat-en-fuentes-auxiliares-para-ferrocarril\/"},"modified":"2018-03-11T10:38:54","modified_gmt":"2018-03-11T10:38:54","slug":"tecnicas-avanzadas-de-modulacion-para-la-reduccion-de-la-distorsion-armonica-total-dat-en-fuentes-auxiliares-para-ferrocarril","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/www.deberes.net\/tesis\/tecnologia-electronica\/tecnicas-avanzadas-de-modulacion-para-la-reduccion-de-la-distorsion-armonica-total-dat-en-fuentes-auxiliares-para-ferrocarril\/","title":{"rendered":"T\u00e9cnicas avanzadas de modulaci\u00f3n para la reducci\u00f3n de la distorsi\u00f3n arm\u00f3nica total (dat) en fuentes auxiliares para ferrocarril"},"content":{"rendered":"<h2>Tesis doctoral de <strong> Isabel Quesada Redondo <\/strong><\/h2>\n<p>Las fuentes de alimentaci\u00f3n de servicios auxiliares en ferrocarril resultan esenciales para alimentar cargas relacionadas con la seguridad, ventilaci\u00f3n, y confort del pasajero. La implementaci\u00f3n original utilizada para la alimentaci\u00f3n de servicios auxiliares se basaba en la utilizaci\u00f3n de un conjunto mec\u00e1nico motor-alternador. Esta soluci\u00f3n fue paulatinamente sustituida por convertidores est\u00e1ticos de potencia, a medida que se desarroll\u00f3 la electr\u00f3nica de potencia, proporcionando sistemas m\u00e1s vers\u00e1tiles y con menores requisitos de mantenimiento. t\u00edpicamente, la fuente de alimentaci\u00f3n de servicios auxiliares debe generar un bus de tensi\u00f3n ca destinado a la alimentaci\u00f3n de compresores de aire acondicionado, los ventiladores de los convertidores de tracci\u00f3n, iluminaci\u00f3n y, de forma minoritaria en potencia, cargas formadas por electrodom\u00e9sticos tales como aspiradores, cafeteras del vag\u00f3n restaurante, ordenadores, etc., As\u00ed como una salida cc opcional destinada a cargar las bater\u00edas de back-up, necesarias para alimentar los servicios de emergencia y\/o esenciales del tren en caso de fallo el\u00e9ctrico. por consiguiente, se distinguen dos configuraciones t\u00edpicas de fuentes de alimentaci\u00f3n de servicios auxiliares: 1.  Fuente de alimentaci\u00f3n con salida ca trif\u00e1sica, implementada mediante un inversor est\u00e1tico y un filtro ca de salida. 2. Fuente de alimentaci\u00f3n con salida ca trif\u00e1sica y salida cc, donde el bus ca se genera mediante un inversor est\u00e1tico y un filtro ca de salida e integra un cargador de bater\u00edas que proporciona la tensi\u00f3n cc de salida necesaria. desde el punto de vista de garantizar la integraci\u00f3n de dichas fuentes de alimentaci\u00f3n dentro del sistema el\u00e9ctrico del tren, cada fuente de alimentaci\u00f3n es tratada como una caja negra, y \u00fanicamente se definen las especificaciones relativas a sus interfaces de entrada y salida, definidas en el est\u00e1ndar ieee std 1476-2000. una de las caracter\u00edsticas fundamentales establecida para el interfaz de salida de dichas fuentes de alimentaci\u00f3n requiere que la distorsi\u00f3n arm\u00f3nica total (dat) presente en la tensi\u00f3n de salida de la fuente de alimentaci\u00f3n se mantenga dentro de los l\u00edmites establecidos en las especificaciones. En este aspecto cabe destacar que el est\u00e1ndar ieee std 1476-2000 establece que, en el caso de la alimentaci\u00f3n de servicios auxiliares, la dat m\u00e1xima admisible depende de las cargas que se vayan a conectar en la salida de la fuente de alimentaci\u00f3n. Por consiguiente, las especificaciones relativas a la dat se fijan mediante un acuerdo entre el fabricante del tren y el fabricante de la fuente de alimentaci\u00f3n de servicios auxiliares, de forma que la dat m\u00e1xima se establece como un compromiso entre el coste de filtrado del inversor y su fiabilidad, frente al coste y al impacto que los arm\u00f3nicos presentes en la tensi\u00f3n de salida puedan tener sobre las cargas. la distorsi\u00f3n de la tensi\u00f3n de salida es debida a la presencia de arm\u00f3nicos no deseados junto con el arm\u00f3nico fundamental. El origen de dichos arm\u00f3nicos no deseados es debido fundamentalmente a dos posibles causas: 1. Arm\u00f3nicos debidos a la conmutaci\u00f3n del inversor los arm\u00f3nicos debidos a la conmutaci\u00f3n del inversor se sit\u00faan por regla general en alta frecuencia, y son caracter\u00edsticos de cada t\u00e9cnica de modulaci\u00f3n. De forma general, basta la utilizaci\u00f3n de un filtro ca de salida para obtener un bus de tensi\u00f3n ca que cumpla las especificaciones relativas a la dat m\u00e1xima. 2. Arm\u00f3nicos debidos a la presencia de cargas no lineales en el sistema. se considera carga no lineal a aquellas cargas que, siendo alimentadas con tensi\u00f3n sinusoidal, demandan una corriente no sinusoidal. Por regla general, se trata de cargas electr\u00f3nicas caracterizadas por absorber corriente solo durante ciertos intervalos de tiempo dentro del periodo fundamental. Como consecuencia, la corriente demandada por este tipo de cargas presenta un alto contenido en arm\u00f3nicos de baja frecuencia que circulan por las impedancias del sistema y provocan la aparici\u00f3n de arm\u00f3nicos de baja frecuencia en la tensi\u00f3n de salida, distorsion\u00e1ndola y aumentando su distorsi\u00f3n arm\u00f3nica total.  por lo tanto, se distinguen dos \u00e1mbitos susceptibles de mejora en relaci\u00f3n con la dat, que pueden clasificarse seg\u00fan cu\u00e1l sea el contenido arm\u00f3nico dominante en la distorsi\u00f3n de la tensi\u00f3n de salida de la fuente de alimentaci\u00f3n. Adem\u00e1s, para el desarrollo, an\u00e1lisis y validaci\u00f3n de ambas soluciones propuestas se han considerado dos configuraciones t\u00edpicas de fuentes de alimentaci\u00f3n de servicios auxiliares, cada una de las cuales presenta uno de los tipos de distorsi\u00f3n dominante enunciados. 1. Reducci\u00f3n de la dat de alta frecuencia, cuando los arm\u00f3nicos dominantes en la distorsi\u00f3n de la tensi\u00f3n de salida son los debidos a la conmutaci\u00f3n del inversor. Es el caso de la fuente de alimentaci\u00f3n de servicios auxiliares con salida ca trif\u00e1sica. 2. Reducci\u00f3n de la dat de baja frecuencia, cuando los arm\u00f3nicos dominantes son aquellos debidos a la presencia de una carga no lineal en el sistema. Este es el caso de la fuente de alimentaci\u00f3n con salida ca y salida cc, en la que el cargador de bater\u00edas se comporta como una carga no lineal. atendiendo a esta clasificaci\u00f3n, en la presente tesis se proponen dos soluciones, una para cada uno de los \u00e1mbitos considerados, cuyo objetivo fundamental es la reducci\u00f3n de la dat presente en la tensi\u00f3n de salida ca proporcionada a los servicios auxiliares por la fuente de alimentaci\u00f3n.  en el primer cap\u00edtulo de esta tesis se proporciona, a modo de introducci\u00f3n, una visi\u00f3n panor\u00e1mica del entorno del tren el\u00e9ctrico. Dentro del tren el\u00e9ctrico, se distinguen dos \u00e1mbitos fundamentales de aplicaci\u00f3n de la electr\u00f3nica de potencia: convertidores de tracci\u00f3n y fuentes de alimentaci\u00f3n de servicios auxiliares. Dentro de este \u00faltimo campo de aplicaci\u00f3n, se abordan las distintas configuraciones de fuentes de alimentaci\u00f3n de servicios auxiliares y se lleva a cabo la elecci\u00f3n de las dos configuraciones utilizadas a lo largo de esta tesis. As\u00ed mismo, se enuncia brevemente la problem\u00e1tica asociada a la distorsi\u00f3n arm\u00f3nica total, llev\u00e1ndose a cabo la distinci\u00f3n entre distorsi\u00f3n arm\u00f3nica de alta y baja frecuencia que se mantiene a lo largo de todo el documento. en el segundo cap\u00edtulo, atendiendo a la distinci\u00f3n entre distorsi\u00f3n arm\u00f3nica total de alta frecuencia y de baja frecuencia, el estudio del estado de la t\u00e9cnica y la soluci\u00f3n propuesta en cada caso se lleva a cabo de forma independiente: 1. Estado de la t\u00e9cnica y soluci\u00f3n propuesta en el \u00e1mbito de la reducci\u00f3n de la dat de alta frecuencia 2. Estado de la t\u00e9cnica y soluci\u00f3n propuesta en el \u00e1mbito de la reducci\u00f3n de la dat de baja frecuencia en los cap\u00edtulos tercero y cuarto se lleva a cabo el an\u00e1lisis y desarrollo de las soluciones propuestas, de forma original, en alta y baja frecuencia, que constituyen las aportaciones fundamentales de esta tesis.  en el cap\u00edtulo 3, en el que se desarrolla la soluci\u00f3n propuesta para la reducci\u00f3n de la dat en alta frecuencia, se comienza con una breve descripci\u00f3n de la fuente de alimentaci\u00f3n considerada: generaci\u00f3n de un bus ca mediante inversor y un filtro ca de salida. Teniendo en cuenta dicha arquitectura, se lleva a cabo un estudio comparativo de las distintas t\u00e9cnicas de modulaci\u00f3n descritas en el estado de la t\u00e9cnica, con objeto de establecer el modulador \u00f3ptimo en t\u00e9rminos de minimizaci\u00f3n de la dat presente en la tensi\u00f3n de salida.  dicho estudio requiere: 1. La selecci\u00f3n de las t\u00e9cnicas de modulaci\u00f3n a comparar, entre las t\u00e9cnicas descritas en el estado de la t\u00e9cnica. 2. La definici\u00f3n de los factores de m\u00e9rito a evaluar, atendiendo no s\u00f3lo a la dat sino tambi\u00e9n a las p\u00e9rdidas en el cobre y el hierro de la bobina de filtro, as\u00ed como las p\u00e9rdidas en los semiconductores. 3. El establecimiento de las condiciones en las que se realiza el estudio: frecuencia de resonancia del filtro, igualdad de primer arm\u00f3nico e igualdad del n\u00famero de conmutaciones por periodo fundamental para las t\u00e9cnicas de modulaci\u00f3n consideradas. a partir de los resultados obtenidos de la comparaci\u00f3n te\u00f3rica, se establece la estructura del modulador propuesto. Dicho modulador integra las t\u00e9cnicas de modulaci\u00f3n de eliminaci\u00f3n de arm\u00f3nicos y pwm con inyecci\u00f3n de tercer arm\u00f3nico de forma que, para cada \u00edndice de modulaci\u00f3n, el patr\u00f3n de disparo seleccionado corresponde a aquella t\u00e9cnica que proporciona la menor dat en la tensi\u00f3n de salida. por otro lado, atendiendo a los resultados obtenidos para los restantes factores de m\u00e9rito ligados a las p\u00e9rdidas, se comprueba que la utilizaci\u00f3n del modulador propuesto permite optimizar las p\u00e9rdidas en el hierro de la bobina en todo el rango de \u00edndice de modulaci\u00f3n, y no penaliza significativamente las p\u00e9rdidas en el cobre, que se mantienen en todo momento por debajo de las p\u00e9rdidas m\u00e1ximas y, por consiguiente, el disipador no es penalizado. \u00fanicamente se detecta que, como consecuencia de la distribuci\u00f3n de las conmutaciones dentro del periodo fundamental, cuando se utilizan igbts con alta tensi\u00f3n m\u00e1xima (3300v) las p\u00e9rdidas en conmutaci\u00f3n debidas a la pwm con inyecci\u00f3n de tercer arm\u00f3nico son ligeramente superiores que en el caso de eliminaci\u00f3n de arm\u00f3nicos y, como consecuencia, las p\u00e9rdidas en conmutaci\u00f3n obtenidas con el modulador propuesto son ligeramente superiores que cuando se utiliza exclusivamente la t\u00e9cnica de eliminaci\u00f3n de arm\u00f3nicos. adicionalmente cabe destacar que el ahorro obtenido en t\u00e9rminos de dat con la utilizaci\u00f3n del modulador propuesto, permite desplazar la frecuencia de resonancia del filtro de salida a una frecuencia mayor, lo que permite reducir su tama\u00f1o y su peso. con objeto de validar las conclusiones extra\u00eddas del estudio realizado, se ha implementado un prototipo a escala sobre el que se ha llevado a cabo la validaci\u00f3n experimental y, finalmente, el cap\u00edtulo se cierra con las conclusiones generales extra\u00eddas en el \u00e1mbito de la reducci\u00f3n de la dat en alta frecuencia. por otra parte, en el cuarto cap\u00edtulo, se lleva a cabo el desarrollo de la soluci\u00f3n propuesta en t\u00e9rminos de reducci\u00f3n de la dat en baja frecuencia. Como en el cap\u00edtulo anterior, se comienza con la descripci\u00f3n de la arquitectura de la fuente de alimentaci\u00f3n auxiliar, formada en este caso por un inversor, un filtro ca y un cargador de bater\u00edas implementado mediante un rectificador controlado de onda completa con tiristores, que act\u00faa como carga no lineal. En este contexto, se propone una soluci\u00f3n \u00f3ptima y econ\u00f3mica que permite, a trav\u00e9s de la modulaci\u00f3n del inversor y sin a\u00f1adir elementos de potencia adicionales, reducir la dat presente en la tensi\u00f3n de salida del inversor como consecuencia de la presencia de una carga no lineal conocida y concentrada. la soluci\u00f3n propuesta consiste en una t\u00e9cnica de modulaci\u00f3n que permite, mediante patrones de disparo pre-calculados, distorsionar adecuadamente la tensi\u00f3n de salida del inversor de forma que genere un primer arm\u00f3nico controlado y un conjunto de arm\u00f3nicos de baja frecuencia que, sumados a los generados por la carga no lineal, se cancelen mutuamente. De esta forma, se eliminan los arm\u00f3nicos de baja frecuencia de la tensi\u00f3n de salida de la fuente de alimentaci\u00f3n de servicios auxiliares y ser reduce su dat. la t\u00e9cnica de modulaci\u00f3n propuesta, de manera original, se ha llamado cancelaci\u00f3n de arm\u00f3nicos y, de manera muy breve, se puede considerar una extensi\u00f3n de la t\u00e9cnica de eliminaci\u00f3n de arm\u00f3nicos pero con capacidad de controlar, no solo el m\u00f3dulo de los arm\u00f3nicos generados por el inversor, sino tambi\u00e9n su fase, mediante el grado de libertad adicional que proporciona la utilizaci\u00f3n de simetr\u00eda de media onda en lugar del la simetr\u00eda de cuarto de onda que caracteriza a la eliminaci\u00f3n de arm\u00f3nicos. dadas las caracter\u00edsticas propias de las fuentes de alimentaci\u00f3n de servicios auxiliares, basta la utilizaci\u00f3n de un control lento basado en tablas de control que contienen patrones pre-calculados, para garantizar el funcionamiento satisfactorio del inversor y generar un bus ca cuya tensi\u00f3n eficaz se mantenga dentro de las especificaciones. Al utilizar una tabla de control, el c\u00e1lculo de los patrones de disparo es realizado off-line para cada una de las condiciones de trabajo de la fuente de alimentaci\u00f3n. A lo largo del cuarto cap\u00edtulo se desarrolla la justificaci\u00f3n matem\u00e1tica de la t\u00e9cnica de cancelaci\u00f3n de arm\u00f3nicos propuesta que permite determinar el patr\u00f3n de disparo necesario para cada punto de trabajo de la fuente de alimentaci\u00f3n.  as\u00ed mismo, dado que se trata de una t\u00e9cnica basada en el c\u00e1lculo anal\u00edtico del patr\u00f3n de disparo, es necesario evaluar la sensibilidad de las prestaciones obtenidas ante variaciones de los par\u00e1metros de la fuente de alimentaci\u00f3n considerada. A este respecto cabe destacar que, para conseguir unas prestaciones satisfactorias, es conveniente introducir en el algoritmo de c\u00e1lculo del patr\u00f3n de disparo una estimaci\u00f3n lo m\u00e1s precisa posible de todos los par\u00e1metros involucrados, especialmente aquellos relacionados con el filtro ca de salida y el filtro de las salida cc (inductancia de filtro, resistencia serie par\u00e1sita de la inductancia de filtro, condensador de filtro, etc.).  atendiendo a la estructura de control, la precisi\u00f3n de los resultados obtenidos est\u00e1 relacionada con la discretizaci\u00f3n de los rangos de operaci\u00f3n de la fuente de alimentaci\u00f3n de servicios auxiliares. Por lo tanto, el paso de discretizaci\u00f3n de cada variable involucrada en la identificaci\u00f3n del patr\u00f3n de disparo supone un compromiso entre la capacidad de memoria necesaria (tama\u00f1o de la tabla de control) y la m\u00e1xima desviaci\u00f3n asumible en la tensi\u00f3n de salida en t\u00e9rminos de tensi\u00f3n eficaz y de dat. Por ejemplo, para atender un rango de variaci\u00f3n t\u00edpico de las tres magnitudes que definen el rango de operaci\u00f3n de la fuente de alimentaci\u00f3n de servicios auxiliares: * rango de variaci\u00f3n de la tensi\u00f3n de entrada entre 1000-1800v. * rango de variaci\u00f3n de la potencia de las cargas conectadas en la salida ca, entre 0,5 y 1,5 veces la nominal. * rango de variaci\u00f3n de la potencia entregada en la salida cc, si se considera que la potencia en la salida cc se define como un porcentaje de la potencia nominal en la salida ca, entre 1% y el 50% de la potencia ca nominal. el tama\u00f1o de la tabla de control necesaria para mantener el valor de la tensi\u00f3n eficaz de l\u00ednea del bus ca de salida dentro de una tolerancia de \u00c2\u00b14% del valor nominal, es de 9,92mb para una implementaci\u00f3n de 7 cortes (14 conmutaciones por periodo). la estructura de control necesaria para seleccionar en cada caso el patr\u00f3n de disparo necesario requiere la utilizaci\u00f3n de tres lazos de tipo feedforward y de un lazo de realimentaci\u00f3n capaz de atender a los escalones de carga que se puedan producir. en t\u00e9rminos de validaci\u00f3n, \u00e9sta se lleva a cabo tanto mediante simulaci\u00f3n como mediante validaci\u00f3n experimental sobre un prototipo a escala.  adem\u00e1s se realiza la comparaci\u00f3n, mediante simulaci\u00f3n, de los resultados obtenidos con la implementaci\u00f3n del concepto de cancelaci\u00f3n de arm\u00f3nicos mediante los patrones de disparo pre-calculados correspondientes a la t\u00e9cnica de cancelaci\u00f3n de arm\u00f3nicos con los resultados obtenidos a partir de la implementaci\u00f3n pwm del mismo concepto. El resultado m\u00e1s significativo obtenido de la comparaci\u00f3n est\u00e1 asociado con la relaci\u00f3n existente entre la capacidad de reconstrucci\u00f3n de los arm\u00f3nicos de baja frecuencia en la salida del inversor, y el n\u00famero de conmutaciones necesario para ello. En este aspecto cabe destacar que el grado de libertad disponible en la implementaci\u00f3n mediante patrones pre-calculados de la t\u00e9cnica de cancelaci\u00f3n de arm\u00f3nicos, debido a que su frecuencia de conmutaci\u00f3n no es constante, permite reconstruir los arm\u00f3nicos de baja frecuencia con un n\u00famero de conmutaciones sensiblemente menor que en el caso de la implementaci\u00f3n pwm, lo que proporciona menores p\u00e9rdidas en los interruptores. Sin embargo, a cambio de aumentar la frecuencia de conmutaci\u00f3n, la implementaci\u00f3n pwm aporta la capacidad de atender a cargas arbitrarias. finalmente, el \u00faltimo apartado de este cap\u00edtulo se dedica a resumir las conclusiones m\u00e1s significativas obtenidas.  una vez realizado el an\u00e1lisis y validaci\u00f3n de las dos soluciones propuestas, en los cap\u00edtulos tercero y cuarto, el cap\u00edtulo quinto resume las conclusiones generales y las aportaciones originales realizadas en el presente trabajo. Dentro de dichas aportaciones se distingue: 1. La propuesta de un modulador capaz de seleccionar, para cada \u00edndice de modulaci\u00f3n, el patr\u00f3n de disparo que proporciona la dat \u00f3ptima en la tensi\u00f3n de salida, lo que permite reducir el tama\u00f1o del filtro de salida necesario. 2. El desarrollo de una t\u00e9cnica de modulaci\u00f3n novedosa, llamada cancelaci\u00f3n de arm\u00f3nicos, que permite reducir el contenido arm\u00f3nico de baja frecuencia presente en la tensi\u00f3n de salida, como consecuencia de la presencia de una carga no lineal conocida, mediante la adecuada pre-distorsi\u00f3n de la tensi\u00f3n de salida del inversor.  3. Transferencia de los resultados de investigaci\u00f3n obtenidos a una empresa del sector, mediante la realizaci\u00f3n de un programa que permite automatizar el dise\u00f1o del convertidor cuando se usa la t\u00e9cnica de cancelaci\u00f3n de arm\u00f3nicos. 4. Transferencia de los resultados de investigaci\u00f3n a la comunidad cient\u00edfica mediante al publicaci\u00f3n de art\u00edculos en revistas internacionales y en congresos tanto nacionales como internacionales.<\/p>\n<p>&nbsp;<\/p>\n<h3>Datos acad\u00e9micos de la tesis doctoral \u00ab<strong>T\u00e9cnicas avanzadas de modulaci\u00f3n para la reducci\u00f3n de la distorsi\u00f3n arm\u00f3nica total (dat) en fuentes auxiliares para ferrocarril<\/strong>\u00ab<\/h3>\n<ul>\n<li><strong>T\u00edtulo de la tesis:<\/strong>\u00a0 T\u00e9cnicas avanzadas de modulaci\u00f3n para la reducci\u00f3n de la distorsi\u00f3n arm\u00f3nica total (dat) en fuentes auxiliares para ferrocarril <\/li>\n<li><strong>Autor:<\/strong>\u00a0 Isabel Quesada Redondo <\/li>\n<li><strong>Universidad:<\/strong>\u00a0 Carlos III de Madrid<\/li>\n<li><strong>Fecha de lectura de la tesis:<\/strong>\u00a0 16\/12\/2011<\/li>\n<\/ul>\n<p>&nbsp;<\/p>\n<h3>Direcci\u00f3n y tribunal<\/h3>\n<ul>\n<li><strong>Director de la tesis<\/strong>\n<ul>\n<li>Antonio Lazaro Blanco<\/li>\n<\/ul>\n<\/li>\n<li><strong>Tribunal<\/strong>\n<ul>\n<li>Presidente del tribunal: emilio Ol\u00edas ruiz <\/li>\n<li>aurelio Garcia cerrada (vocal)<\/li>\n<li>enrique Romero cadaval (vocal)<\/li>\n<li>Marta Mar\u00eda Hernando alvarez (vocal)<\/li>\n<\/ul>\n<\/li>\n<\/ul>\n<p>&nbsp;<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"<p>Tesis doctoral de Isabel Quesada Redondo Las fuentes de alimentaci\u00f3n de servicios auxiliares en ferrocarril resultan esenciales para alimentar cargas 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