Desarrollo de una plataforma educativa para la enseñanza de señales trifásicas

Abstract

El presente proyecto de graduación tuvo como objetivo principal diseñar e implementar una plataforma educativa, para la generación, modulación y análisis de señales trifásicas. El problema identificado es que, cuando se abordan sistemas trifásicos, se suele necesitar de varios equipos de laboratorio solo para un estudiante. No se tiene lo suficiente para cada usuario, necesitando depender de simulaciones digitales, lo que limita la experimentación directa con estas señales. La plataforma propuesta integra osciladores de onda senoidales y triangulares, utilizando amplificadores operacionales, junto a un sistema de desfasamiento, para la obtención de tres señales. Se empleó la técnica de modulación sinusoidal por ancho de pulso (SPWM, por sus siglas en inglés), aplicada a un inversor trifásico de voltaje. Adicionalmente, se incorporaron filtros analógicos para la reconstrucción de la señal, junto con un módulo de diferenciación y amplificación, que permiten al usuario realizar ajustes necesarios. La metodología consistió en la investigación de la técnica de modulación, la generación de ondas, inversor trifásico y los filtros, siguiendo de la simulación y prueba física. Para la observación del debido funcionamiento de cada etapa, culminando en el diseño y fabricación de cuatro tarjetas de circuito impreso (PCBs). Estos fueron fabricados con el equipo de la universidad, para la detección de errores y posibles mejoras. Luego fueron enviados a fabricar las placas en los Estados Unidos. Resultando en un prototipo funcional que opera sin la necesidad de equipos adicionales de generación, junto con un manual de cómo usar la plataforma.

The main objective of this graduation project was to design and implement an educational platform for the generation, modulation and analysis of three-phase signals. The identified problem is that, when dealing with three-phase systems, several pieces of laboratory equipment are often needed for a single student, and there is not enough equipment available for each user, requiring reliance on digital simulations, which limits direct experimentation with these signals. The proposed platform integrates sinusoidal and triangular wave oscillators, using operational amplifiers, along side with a phase-shifting system, to generate the three required signals. Sinusoidal pulse-width modulation (SPWM) was used, applied to a three-phase voltage inverter. Additionally, analog filters were incorporated for signal reconstruction, along with a differentiation and amplification module, allowing the user to make the necessary adjustments. The methodology consisted of investigating the modulation technique, wave generation, three-phase inverter and filters, followed y simulation and physical testing to observe the proper functioning of each stage. This culminated in the design and fabrication of four printed circuit boards (PCBs). Initially, these were manufactured using the university's equipment to identify errors and possible improvements, and then the boards were sent to be manufactures in the United States. Th result was a functional prototype that operates without the need for additional generation equipment, alo with a user manual for the platform.