Fuente de corriente alterna controlable entre 1 Hz y 50 KHz para aplicaciones de congelación magnética: diseño e implementación del control

Ballesteros Grande, Eduardo (2017). Fuente de corriente alterna controlable entre 1 Hz y 50 KHz para aplicaciones de congelación magnética: diseño e implementación del control. Proyecto Fin de Carrera / Trabajo Fin de Grado, E.T.S.I. Industriales (UPM).

Descripción

Título: Fuente de corriente alterna controlable entre 1 Hz y 50 KHz para aplicaciones de congelación magnética: diseño e implementación del control
Autor/es:
  • Ballesteros Grande, Eduardo
Director/es:
  • Alou Cervera, Pedro
  • Rodríguez, Antonio
Tipo de Documento: Proyecto Fin de Carrera/Grado
Grado: Grado en Ingeniería en Tecnologías Industriales
Fecha: Febrero 2017
Materias:
Escuela: E.T.S.I. Industriales (UPM)
Departamento: Automática, Ingeniería Eléctrica y Electrónica e Informática Industrial
Licencias Creative Commons: Reconocimiento - Sin obra derivada - No comercial

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Resumen

En este proyecto se abordará el diseño y la implementación del módulo de control de una fuente de corriente alterna con frecuencias de salida comprendidas entre 1 Hz y 50 kHz con el objeto último de poder desarrollar un dispositivo totalmente funcional. Esta fuente va a utilizarse para desarrollar experimentos de congelación en presencia de campos magnéticos. Más en concreto, su finalidad será alimentar un solenoide con diversas formas de onda y a diversas frecuencias, aunque siempre con los mismos valores eficaces de intensidad, para caracterizar los efectos de los campos magnéticos generados en transcurso de la congelación de alimentos. La finalidad de estos experimentos, que se realizarán en colaboración con el Instituto de Ciencia y Tecnología de la Alimentación y la Nutrición (ICTAN), será tratar de arrojar luz sobre una cuestión acerca de la que existe gran controversia en la actualidad dentro de la comunidad científica: la de los posibles beneficios de la aplicación de campos magnéticos durante la congelación de los alimentos. Los experimentos realizados en diversas instituciones parecen sugerir que esta técnica evita o al menos reduce el daño celular que conlleva el proceso de congelación. De confirmarse, estos resultados serían muy relevantes tanto en el campo de la tecnología alimentaria (puesto que se podría evitar la degradación de los alimentos, su pérdida de sabor y de valor nutricional) como en el ámbito médico de los trasplantes de órganos (en el que, a día de hoy, el daño a nivel celular impide la utilización del proceso de congelación, obligando a utilizar técnicas más complejas y agresivas). Sin embargo, existe también una gran diversidad de experimentos que contradicen lo sugerido por los anteriores, concluyendo que la aplicación de campos como los sugeridos no influye de forma apreciable sobre el proceso de congelación. A esta contraposición de resultados experimentales, se suma la inexistencia de modelos teóricos firmes que permitan vislumbrar de qué forma los campos magnéticos podrían evitar el daño celular en el transcurso de la congelación. En paralelo con el desarrollo de este proyecto el ICTAN realiza una serie de experimentos, obteniendo en su mayoría resultados negativos en cuanto a la utilidad de la técnica. Para conseguir una fuente de corriente con las características especificadas se va a diseñar e implementar un inversor de potencia. A lo largo del presente trabajo será común referirse al dispositivo como inversor además de como fuente de corriente. Una de las principales dificultades de este proyecto es el amplio rango de frecuencias de salida que debe ser capaz de proporcionar, que deben estar comprendidas entre 1Hz y 50kHz. Este dilatado intervalo de frecuencias generará gran variedad de problemáticas. Originalmente se construyó un único solenoide para todas las frecuencias. Posteriormente se observó la necesidad de construir un segundo solenoide para bajas frecuencias, pues las características del primero hacían que, a bajas frecuencias, alcanzase régimen permanente. Esto ocasiona la desviación de la forma de onda de salida respecto del modelo deseado (aproximadamente sinusoidal). Por otro lado, a frecuencias altas (del orden de kHz) se plantean nuevos problemas derivados tanto el aumento del módulo de la impedancia debido a la componente inductiva de la carga (cuya compensación va a precisar grandes voltajes de entrada) como el aumento de la frecuencia de conmutación de los interruptores (proporcional a frecuencia de salida y directamente relacionada con las pérdidas que se producen en los interruptores). Para resolverlo se van a añadir condensadores de compensación de la carga en función de la frecuencia a la que se esté trabajando. Estos condensadores permitirán cancelar la componente inductiva de la carga con una componente capacitiva igual y de signo contrario, dando como resultado una impedancia reducida de carácter predominantemente resistivo (estrictamente en el caso de resonancia perfecta) y actuando además como filtro para armónicos de altas frecuencias, lo que permite reducir la velocidad de conmutación drásticamente. El estudio de algoritmos PWM revelará que un algoritmo bipolar clásico genera gran cantidad de armónicos. Por tanto, se implementará un algoritmo unipolar. Este algoritmo es indudablemente más complejo, puesto que precisa de dos ondas moduladoras independientes de la misma forma y frecuencia en contrafase. Sin embargo, de acuerdo con el resultado de las simulaciones, la implementación de dicho algoritmo va a dar lugar a una reducción significativa de la distorsión armónica total (THD). La implementación de estos algoritmos en un DSP supondrá una complicación adicional en el caso de ondas objetivo sinusoidales. Esto es debido a que para frecuencias altas (por ejemplo, 5kHz, la máxima frecuencia a la que se aplicará modulación sinusoidal) el tiempo disponible para realizar los cálculos será muy reducido, por la gran cantidad de veces que deberá repetirse el algoritmo por segundo. Por tanto, el algoritmo debe ser rápido y estar optimizado. En principio, resulta necesario realizar operaciones muy pesadas en cuanto a carga computacional para generar ondas moduladoras. En efecto, para calcular funciones trigonométricas, el DSP debe llevar a cabo una aproximación mediante el cálculo de un gran número de términos de la descomposición en serie de Taylor. Este problema se va a solventar mediante el desarrollo de un algoritmo recursivo que hace uso de constantes calculadas durante la inicialización del programa y valores calculados con anterioridad para reducir la operativa a una simple suma de productos en aritmética de punto flotante, que el DSP puede realizar de forma muy eficiente. A lo largo del presente documento se expondrá el desarrollo y los resultados de las distintas fases del proyecto. Se comenzará con una etapa de investigación a cerca de congelación bajo el efecto de campos magnéticos, abordándose temas como los modelos teóricos, la evidencia experimental, las alternativas o el estado de desarrollo de la tecnología y los experimentos propuestos. Todos estos temas se abordarán a lo largo del capítulo 1, finalizando con las especificaciones necesarias para el dispositivo teniendo en cuenta todo lo anterior. Posteriormente se comentarán aspectos de la electrónica de potencia que sean relevantes para la implementación del control en el capítulo 2, antes de ahondar en aspectos más propios del presente proyecto como los distintos tipos de algoritmos que pueden gobernar el dispositivo y el porqué de la elección de algoritmos unipolar y de onda cuadrada para bajas y altas frecuencias respectivamente. Estos temas se tratarán en el capítulo 3. en el cual también se diseñarán y llevarán a cabo simulaciones en PSIM para la validación de los algoritmos expuestos previamente. Se proseguirá analizando en el capítulo 4 el DSP elegido para esta aplicación, así como los pormenores de la implementación de los algoritmos seleccionados en este microprocesador. Finalmente, se realizarán a lo largo del capítulo 5 ciertos experimentos para comprobar el correcto funcionamiento del dispositivo. Primero se comprobará el correcto funcionamiento de la etapa de control de forma independiente. Posteriormente se acoplará al inversor para observar el comportamiento del conjunto.

Más información

ID de Registro: 45530
Identificador DC: http://oa.upm.es/45530/
Identificador OAI: oai:oa.upm.es:45530
Depositado por: Biblioteca ETSI Industriales
Depositado el: 21 Abr 2017 07:01
Ultima Modificación: 21 Abr 2017 07:01
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