UNIVERSIDAD DE LAS FUERZAS ARMADAS ESPE EXTENSIÓN LATACUNGA DEPARTAMENTO DEPARTAMENTO DE ELÉCTRICA Y ELECTRÓNICA
INFORME DEL PROYECTO DE LA PRIMERA UNIDAD CARRERA
CÓDIGO DE LA ASIGNATURA
NOMBRE DE LA ASIGNATURA
Electrónica e Instrumentación
2177
Control Electrónico de Potencia
PR CTICA N°
LABORATORIO DE:
04
1
TEMA:
Control Electrónico de Potencia Conversor DC/DC reductor y reductor elevador para variar la potencia DC entregada a diferentes cargas.
DURACI N (HORAS) 4
SISTEMA DE OBJETIVOS A. OBJETIVO GENERAL
Diseñar e implementar un circuito conversor DC/DC DC/DC (BUCK Y BOOST) mediante el uso de semiconductores de potencia y conocimientos adquiridos en el aula para analizar, visualizar e interpretar su funcionamiento y las formas de onda conseguidas al aplicar cargas resistiva e inductiva (Motor DC).
B. OBJETIVOS ESPECÍFICOS
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Investigar el funcionamiento funcionamiento de un conversor DC/DC (BUCK Y BOOST). BOOST). Realizar los diseños para el conversor DC/DC (BUCK Y BOOST) aplicado a una carga resistiva e inductiva (Motor DC). Implementar el conversor DC/DC (BUCK Y BOOST). Desarrollar las pruebas necesarias con diferentes cargas para ver el comportamiento comportamie nto del circuito en función a la relación de trabajo empleada. Analizar los resultados resultados obtenidos obtenidos en la práctica para para formular las conclusiones conclusiones y recomendaciones recomendaciones pertinentes.
RESUMEN
En la presente práctica se implementa el conversor DC/DC (BUCK Y BOOST) para obtener a su salida un voltaje menor o casi igual a su entrada. Este conversor permite la administración de baterías en sistemas de alimentación ininterrumpida, controlando el flujo de energía y regulando la tensión de alimentación DC durante los diferentes modos de operación de la batería como fuente y suministro. Los convertidores DC/DC son muy utilizados en la industria, gracias a sus numerosas ventajas en el área de conversión de potencia.
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ABSTRACT
In this practice is implemented a DC / DC converter (BUCK Y BOOST) to get in output voltage less than or equal to its output. This converter allows management of batteries in UPS systems, power
flow controlling and regulating the DC supply voltage for the different modes of operation of the battery as a source and supply. The DC / DC converters are widely used in the industry, thanks to its numerous advantages in the area of power conversion.
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MARCO TEÓRICO
EL CONVERTIDOR BUCK. El circuito que define a este convertidor se muestra en la fig.1, en el cual se puede ver la presencia del dispositivo de conmutación S, un diodo D, un inductor L, un capacitor C y la carga a alimentar R. El circuito de la fig. 2 muestra la forma como se producen los pulsos que se aplican a la base o gate del dispositivo de conmutación; está claro que se comparan dos señales una señal triangular (portadora) y una señal de referencia que representa el voltaje deseado en la salida del convertidor. Ambas señales se introducen a un comparador, el cual emitirá un voltaje en la salida toda vez que la señal de la portadora sea de menor magnitud al de la señal de referencia.
Se dice que el convertidor Buck trabaja en modo continuo, si la corriente que atraviesa el inductor nunca llega a cero; de otro modo se dice que trabaja en modo discontinuo. El periodo de conmutación T consta de un sub-periodo de encendido ton y uno de apagado toff (fig.4). El ciclo de servicio D se define como la relación entre el periodo de encendido y el periodo de conmutación.
=/ El funcionamiento del convertidor implica dos estados: un estado ON en el cual el dispositivo de conmutación permite la circulación de corriente, transmitiendo la tensión de entrada a un extremo del inductor y un estado OFF en el cual dicho dispositivo se comporta como un circuito abierto aislando la tensión de entrada. La fig. 3 muestra dichos estados. De modo a simplificar el análisis se asumirá que todos los dispositivos semiconductores son ideales y que el convertidor está trabajando en modo continuo.
Para un modo de conducción continuo, la corriente ideal que circularía por el inductor se muestra en la fig. 4.
En estado ON, la tensión de la fuente es aplicada directamente al diodo en polarización inversa, la corriente que atraviesa el inductor crece linealmente y puede calcularse mediante:
∆ = ∫ = ∫ = Para un estado OFF, la tensión de la fuente es desconectada y la carga es alimentada desde la inductancia quien cambia de polaridad permitiendo que el diodo quede polarizado directamente y la variación de corriente para el circuito en OFF será:
− − ∆ = ∫ = ∫ = 1 Si el convertidor opera en régimen estable y considerando un ciclo completo de conmutación, la energía almacenada al principio y al final de dicho ciclo es la misma; por lo tanto la corriente al principio y final del ciclo también es la misma, con lo cual:
∆ + ∆ = 0 Es decir:
1 = 0 Simplificando:
=
Puesto que 0
EL INDUCTOR El modo de continuo implica que el inductor no se descarga completamente durante el periodo en que el dispositivo de conmutación está en OFF. Asumiendo que el convertidor trabaja en modo continuo y que tanto el dispositivo de conmutación y el diodo son ideales, la siguiente ecuación nos permitirá calcular la inductancia:
= 1 1 Donde f es la frecuencia de conmutación del convertidor Buck y c es la relación entre el rizado de la corriente D IL y la corriente promedio de carga Io (Io = P/Vo). La corriente pico que circula por el inductor se la puede calcular mediante:
= + ∆2 Donde:
∆ = = 1 1 Un inductor real posee una resistencia asociada serie que provoca una caída de tensión continua en bornes de la bobina proporcional a la corriente media que la atraviesa. Por un lado se debe elegir una bobina con la menor resistencia posible y al mismo tiempo que soporte la corriente que circulará por ella.
CAPACITOR El capacitor de salida es necesario para mantener la tensión y minimizar el rizado presente en la salida de un convertidor reductor, estos parámetros son usualmente especificados en el momento de realizar el diseño. Un elevado voltaje de rizado se debe a una capacitancia insuficiente y una alta resistencia equivalente serie del capacitor. Cuando una carga es súbitamente removida, se genera un problema de sobre voltajes transitorios por lo que se requiere que el capacitor de salida sea lo bastante grande de modo a prevenir que la energía almacenada en el inductor sea lanzada por encima del máximo voltaje de salida. El valor de la capacidad puede ser obtenido mediante:
= 18 Donde x es la relación entre el rizado de la tensión de salida D Vo y dicha tensión Vo. Un capacitor real tiene una resistencia y una inductancia equivale nte serie. El efecto de la inductancia parásita suele hacerse patente a frecuencias elevadas mientras que la resistencia disminuye. Los capacitores electrolíticos poseen una resistencia equivalente serie elevada a medida que los valores de capacitancia baja. De modo a fijar dicha resistencia parásita, la misma deberá ser menor a:
= ∆∆ DIODO Para seleccionar el diodo, el factor limitante es la disipación de potencia, la cual puede ser calculada con:
= (1 )
Donde VD es la caída de tensión cuando está polarizado directamente y circulando la corriente Io. Además de lo anterior, se debe asegurar que el voltaje máximo inverso repetitivo sea mayor que el voltaje de entrada. La corriente directa del diodo debe satisfacer la máxima corriente de salida.
DISPOSITIVO DE CONMUTACIÓN El dispositivo de conmutación puede ser un BJT, IGBT, o bien un MOSFET; sin embargo, debido a la elevada velocidad de conmutación en muchos casos es preferible emplear este último. La máxima corriente que atraviesa el dispositivo de conmutación puede ser determinado en función a la potencia requerida y la tensión de entrada: P/Vi; el MOSFET mínimamente debería soportar el doble de esta corriente. El dispositivo de conmutación soporta una tensión de Vi + VD donde VD es la caída de tensión en el diodo; similarmente el MOSFET debe poder soportar el doble. Las pérdidas en conmutación pueden ser obtenidas mediante:
= 2 +
Donde TON y TOFF son los tiempos de encendido y apagado en la conmutación. Las pérdidas durante el estado de conducción se las puede obtener mediante:
= 1
Donde ID es la corriente del drenador en régimen continuo, rDS (ON) es la resistencia entre drenador y surtidor cuando el MOSFET está en estado de conducción, t ON como se sabe es el tiempo en el que el MOSFET está en estado de conducción y T el periodo de conmutación (1/f). La potencia de pérdida total PERDIDA TOTAL será la suma de ambas pérdidas. La diferencia de temperatura entre la unión y el case del encapsulado será:
∆ =
OPTOACOPLADORES La utilización de optoacopladores es una técnica de aislamiento que aventaja a la basada en transformadores en el menor tamaño y peso de los componentes. El principal problema de los optoacopladores reside en su falta de linealidad. Este problema podría solucionarse mediante la linealización por software, pero la adolecería de una ocupación grande de memoria y lentitud de funcionamiento. Las soluciones expuestas en el aparato anterior son adecuadas en el caso de circuitos integrados, pero su realización mediante componentes discretos es más problemática. Para operar con optoacopladores sobre señales analógicas suelen convertirse estas a digitales, normalmente mediante un conversor tensión –frecuencia. Una vez la información analógica está en la frecuencia o anchura de los pulsos de una señal cuadrada, puede transmitirse mediante el optoacoplador, recuperando si es necesaria la señal analógica original mediante la correspondiente demodulación. Los principales inconvenientes de los optoacopladores para señales digitales residen en que las resistencias que presentan en los estados de ON y OFF distan mucho de ser las ideales; en la limitación de corriente en estado ON; y en su baja eficiencia de transmisión. Las ventajas se resumen en: su pequeño tamaño, lo que hace útiles para montar en tarjetas de circuito impreso: la posibilidad de tener ganancia de corriente dependiendo del tipo de fotoreceptor utilizado; poder soportar tensiones de aislamiento bastantes altas (4kV); la capacidad de rechazar ruido en la entrada, y presentar un consumo de energía bastante reducido.
Características de los optoacopladores: El fotoacoplador permite conseguir un buen aislamiento eléctrico entre el circuito de control y el de potencia. Este tipo de aislamiento ofrece como inconveniente la posibilidad de disparos en las conmutaciones del interruptor de potencia, debido a la capacidad parásita entre el LED y el fototransistor. Otro problema se debe a la diferencia de potencial entre las tierras del fotodiodo y del fototransistor que no debe superar la tensión de ruptura.
CONVERTIDOR ELEVADOR BOOST Las principales características de este convertidor es que al igual que el convertidor “Buck”, es transistor no está referenciado a tierra, La tensión de salida y la tensión de entrada tienen la misma referencia pero en esta configuración la corriente de entrada no es pulsante (Utilizado para aplicaciones de PFC), además en esta configuración es imposible desconectar la entrada de la salida lo que hace difícil la implementación de un circuito de protección. La técnica de conmutación de este regulador permite poder producir un voltaje mayor de un voltaje de entrada menor no regulada, la figura 5 muestra el circuito eléctrico.
Para entender el comportamiento de este convertidor considere primeramente el caso cuando Q esta encendido, en ese instante el diodo D se encuentra como un circuito abierto, en ese instante la corriente de salida es suplida por el capacitor C y L se carga de energía, el siguiente caso es cuando Q se encuentra abierto, el diodo se encuentra polarizado directamente y L entrega toda su energía a C. La figura 6 muestra estos dos comportamientos.
La figura 6 muestra un esquemático de un amplificador Boost con su control PWM, El inductor L es conectado en serie con Vin y con un transistor conmutador Q. La parte de debajo de L alimenta el capacitor de salida C y la resistencia de carga a través del diodo rectificador D.
El voltaje de salida Vo es mayor al voltaje de entrada de DC por lo siguiente: Cuando Q esta encendido por un tiempo Ton, D esta polarizado inversamente y la corriente aumenta linealmente en L hasta llegar a un valor pico Ip = Vin*(Ton/L). Esto representa una cantidad de energía almacenada.
= 0.5∗∗2 Donde, E está en julios, L en henrios e Ip en amperios. Durante el tiempo que Q esta encendido, la corriente de salida es suplida por C, el cual se debe seleccionar lo suficientemente grande para para suplir la corriente de carga durante el tiempo Ton con una reducción mínima especificada en voltaje. Cuando Q se apaga, debido a que la corriente en un inductor no puede cambiar instantáneamente, la polaridad en L se invierte en un intento por mantener la corriente constante. Como la parte inferior de L (la que no tiene punto) es positiva con respecto al extremo con punto y como el extremo que tiene el punto está conectado a Vin, L entrega a C su energía almacenada y lo carga a través de D a un voltaje más alto (“Boost”) igual a la suma de VDC y VL. Esta energía suple la corriente de carga y devuelve al capacitor la carga perdida durante el tiempo que Q esta encendido. La figura 3 muestra las formas de onda del regulador “Boost”. El voltaje de salida es regulado al controlar el tiempo de encendido de Q en un lazo de retroalimentación negativa. Si la corriente DC de carga aumenta, el tiempo de encendido es aumentado automáticamente para entregar más energía a la carga. Si Vin disminuye, y si Ton no fuera cambiado, la corriente pico, y también la energía almacenada en L1 disminuiría y el voltaje DC de salida disminuiría. Pero el lazo de retroalimentación negativa sensa cualquier variación del voltaje de salida y aumenta Ton para mantener el voltaje de salida constante.
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INSTRUCCIONES A. EQUIPO Y MATERIALES NECESARIOS
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1 microcontrolador PIC 16f877a de Microchip 1 optotransistor 4N25 Resistencias Diodo de acción rápida 1N4148 Elemento inductivo 1mH Motor DC Cables de conexión para el circuito de control y el de potencia Protoboard Osciloscopio Puntas de osciloscopio Multímetro
ACTIVIDADES A DESARROLLAR
Para el cálculo de los valores se tendrá en cuenta:
Se elige el valor de D que viene impuesto por la tensión de salida La inductancia se diseña para que este en MMC en todo el régimen de trabajo. El valor del condensador se elige en función del rizado de tensión máximo permitido sobre la carga Valor medio de la tensión de en la bobina nula a ciclo de trabajo
Valor de la inductancia
Se eligen en función del rizado de corriente por la bobina. Un parámetro de diseño puede ser que el rizado sea del 30% del valor de la Imed por la carga. Que esté en MCC (Modo de conducción continua), en todo el régimen de carga.
Elección del condensador de Filtro
Incremento de carga en el condensador
Cálculos:
Implementar el circuito de la figura.
Verificar y analizar las formas de Onda de la Simulación y la practica
Formas de onda obtenidas en la simulación Buck Con un D=0
Con un D=0,1
Con un D=0,2
Con un D=0,3
Con un D=0,4
Con un D=0,5
Con un D=0,6
Con un D=0,7
Con un D=0,8
Formas de onda obtenidas en la simulación Boost Con un D=0
Con un D=0,1
Con un D=0,2
Con un D=0,3
Con un D=0,4
Con un D=0,5
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ANÁLISIS DE RESULTADOS
Se puede observar en las señales de salida del conversor que su valor es linealmente proporcional al ciclo de trabajo de la señal PWM, la cual se encarga de que el dispositivo semiconductor conmute.
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CONCLUSIONES
Los convertidores DC-DC son circuitos que permiten variar el voltaje que se entrega a la carga mediante la relación de trabajo. El funcionamiento fundamental de los conversores DC-DC consiste en el almacenamiento temporal de energía en la bobina y el condensador. La configuración de un convertidor reductor permite obtener una salida de voltaje continuo menor que a su entrada. Si la frecuencia es demasiado alta se generan mayores pérdidas dinámicas del dispositivo semiconductor. El valor de los dispositivos se calculara con las ecuaciones estudiadas anteriormente en clases. Se dice que el convertidor Buck trabaja en modo continuo, si la corriente que atraviesa el inductor nunca llega a cero.
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RECOMENDACIONES
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Trabaja en modo discontinuo si la corriente que atraviesa el inductor llega a cero. El periodo de conmutación consta de un sub-periodo de encendido Ton y uno de apagado Toff. El voltaje cuando el transistor esta encendido VTon= Vi-Va y el voltaje cuando el transistor está apagado VToff=-Va En el circuito conversor DC/DC reductor el valor máximo de voltaje a su salida que se puede tener es igual al voltaje de ingreso, con un voltio de diferencia ya que existe caídas de tensión en el dispositivo de conmutación. Se verifico que la fórmula del Vo si es correcta en la práctica (Vo=D*Vi) en un conversor DC/DC reductor con una variación en los valores medidos debido ya que los elementos en la práctica no son ideales. En el circuito conversor DC/DC reductor se puede obtener diferentes valores de voltaje a la salida del conversor controlando los tiempos de alto y bajo de la señal de control PWM. Al trabajar con frecuencias altas el filtro será pequeño esto se hace más fácil su implementación. Si la frecuencia es muy elevada se aumentaran considerablemente las pérdidas dinámicas. La implementación de estos conversores genera armónicos Variaciones considerables en la frecuencia de trabajo del Conversor implica necesariamente cambios en el diseño del filtro. El voltaje obtenido máximo del conversor elevador DC/DC es hasta el doble del voltaje de entrada. Mientras D tienda a 1 a partir 60% la salida Vo tendía a disminuir el rendimiento estaba disminuyendo del conversor DC/DC elevador. Se puede conseguir voltajes superiores a la entrada con un conversor DC/DC elevador, en la práctica se logró conseguir el doble de la señal de ingreso, utilizando como bobina el devanado primario de un transformador. Matemáticamente según la formula se puede tener un valor de salida muy altísimo en el conversor DC/DC (Vo=(1/1-D)*Vi), y prácticamente no es así ya que por la bobina se tiende a un cortocircuito.
Como en todo circuito electrónico se debe tener un cuidado minucioso en la parte de diseño, para no topar con inconvenientes en la etapa de construcción. En la etapa constructiva se debe tener especial cuidado cuando se interconecta el circuito, pues existe el caso de este diseño en particular que involucra un inductor, el cual se comporta como un corto circuito en dc. Utilizar una frecuencia de muestreo, la que va al transistor muy alta en comparación a la frecuencia utilizada en el filtro. Comprobar que la señal que sale del microcontrolador sea la adecuada con la ayuda de un osciloscopio. Tener en cuenta que la generación de armónicos pueden causar pérdidas considerables si no se dimensiona de forma correcta el filtro. Un voltaje oscilatorio (no constante) puede dañar la carga que se encuentre a la salida del conversor.
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS Y DE LA WEB [1] [en línea].Ecuador. Conversores DC-DC: http://es.scribd.com/doc/88817298/LaboratorioConvertidores-Dc-Dc. [1] [en línea].Ecuador. Conversores DC-DC reductor: http://repositorio.espe.edu.ec/bitstream/21000/5186/2/T-ESPE-033143-A.pdf