Logica difusa

Lógica difusa aplicada a la corrección del factor de potencia de una instalación con motor síncrono y a circuitos elevadores Boost

Resumen- Debido al agotamiento de los combustibles fósiles y su alto impacto medio ambiental, las industrias energéticas se centran cada vez más en formas de producir energía eléctrica que sean mas económicas y eficientes. No es de extrañar que se preste especial atención al factor de potencia (FP) ya que supone una oportunidad de ahorrar energía y mejorar el rendimiento de las instalaciones industriales. En este documento se abordará la aplicación de la lógica difusa (LD) para la corrección del FP. Se explicará como crear una metodología de control a través de la LD que aplicaremos a distintas topologías en las que es necesario un control dinámico del FP. Se implementará el control de LD a circuitos elevadores de tensión Boost y a un motor a síncrono con el que se podrá controlar el FP de una instalación completa mediante la entrega de potencia reactiva (VAR)

1. Introducción

        En casi todas las industrias predomina el uso de motores de inducción, esto supone una gran carga inductiva en las instalaciones que se traduce en FP muy bajos. Tener un FP bajo supone mayores gastos económicos, ya que las compañías eléctricas se ven obligadas a proveer potencia en exceso y las industrias se ven penalizadas por ello.

 Existe varias técnicas conocidas para mejorar el factor de potencia: baterías de condensadores eléctricos, motores síncronos de corriente alterna, circuitos eléctricos correctores en los equipos… Actualmente los motores de inducción  vienen provistos de circuitos eléctricos especiales que aseguran un FP casi unitario. Sin embargo, una instalación industrial posee motores de inducción tanto modernos como desfasados que operan con un FP bajo. Esto, resulta en un  FP desajustado a nivel de planta.

La técnicas más populares de corrección de factor de potencia se basan en baterías de condensadores que compensan la energía inductiva produciendo energía capacitiva, sin embargo, este sistema está diseñado para cargas constantes y no se tiene control sobre los parámetros eléctricos que corrigen el factor de potencia.

La lógica difusa (LD) aplicada a los motores síncronos constituye una nueva técnica para entregar al sistema la energía reactiva necesaria para corregir el FP. A diferencia de las baterías de condensadores, un motor síncrono controlado por lógica difusa supone una nueva forma de control precisa y eficiente y aunque los motores síncronos no sean capaces de soportar variaciones bruscas de velocidad, estos pueden utilizarse como doble función para cintas transportadores, ventiladores de extracción…

        El control mediante LD no solo es aplicable a la corrección directa del FP de una planta, sino que también puede aplicarse a otros campos como el de la conversión  de energía. Un circuito ampliamente utilizado en este campo es el convertidor elevador Boost. En este tipo de circuito los condensadores de mayor capacidad se sitúan a la salida del convertidor y no solo después del puente rectificador. La corriente que carga este ultimo condensador es controlada para que sea proporcional a la línea de entrada.

        Los convertidores Boost tienen dos modos de funcionamiento. En el CCM (Conmutación en Modo

Continuo) la corriente por el inductor nunca llega a ser cero, todo lo contrario que en el modo DCM (Conmutación en Modo Discontinuo) que será cero en diferentes intervalos del cambio de ciclo.

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Figura 1: Convertidor Boost AC-DC

        Con el fin de mantener un buen rendimiento EMI (Interferencias Electromagnéticas) y reducir las calificaciones actuales, el convertidor Boost con Power Factor Control (PFC) suele operar en modo continuo (CCM). Sin embargo, el funcionamiento en este modo incrementa el estrés de los diodos. Como se muestra en la Figura 1, cuando el transistor está apagado, la corriente fluye a través del diodo llegando a la carga. Cuando el transistor se enciende el diodo debe recuperarse rápidamente para evitar que el condensador de salida se descargue en el transistor. Los diodos tienen un tiempo de recuperación en inversa finito, Tr, tiempo durante el cual experimenta corriente y tensión inversa. Esto produce una mayor disipación de potencia en el diodo. El uso de diodos rápidos ayuda a reducir la potencia del diodo; sin embargo, el difícil apagado del mismo aumenta los EMI y degrada la fiabilidad del diodo.

        Además del aumento de la pérdida causada por el diodo en recuperación inversa, el transistor del Boost también experimenta un aumento de las pérdidas en el encendido. Este aumento de la pérdida de conmutación es acentuado cuando las frecuencias de conmutación aumentan. A fin de lograr una eficiencia aceptable, se han desarrollado técnicas de conmutación suaves.

        El objetivo de este de la implementación de la LD es intentar que la señal de entrada y de salida del circuito estén en fase, reduciendo así, el factor de potencia. Además de reducir al máximo posible la distorsión armónica total del sistema. 

1. Consideraciones Previas

A.  Factor de Potencia

        Factor de potencia (FP): Se define el factor potencia de un circuito o instalación como la relación entre la potencia activa (P) y la potencia aparente (S).

[pic 2]

Figura 2: Triángulo de potencias

 Se denomina al cos(ø), el FP, y cumple la siguiente expresión:

                                  ( Ec. 2.1)[pic 3]

        El FP es un parámetro de calidad muy importante en el diseño de cualquier instalación o circuito. Este parámetro está comprendido entre 0 y 1 e interesa que sea lo mas próximo a la unidad posible.

        Un FP óptimo cercano a la unidad tiene números beneficios como puede ser: Disminución de la sección de los cables, disminución de las pérdidas en las líneas, reducción de la caída de tensión y aumento de la potencia disponible. Todo estos beneficios permiten optimizar el dimensionamiento de los transformadores y cables, suponiendo un ahorro económico importante en los dispositivos y cables, de ahí la importancia de las empresas de querer optimizar el rendimiento de la instalación mediante la mejora del factor de potencia.