DISEO E IMPLEMENTACION DE UN CONVERTIDOR CD/CD ELEVADOR CON CONTROL MODO DE VOLTAJE Y CORRIENTE MODULADO CON PWM PARA UNA CARGA RESISTIVA DE POTENCIA DE 40W Y 100W.

Jorge Alexander Palacios Beltrn COD. 1090187alexanderpalaciosbeltran@hotmail.comngel Ivn Corzo Chaustre COD. 1090249Aladivan26@hotmail.comJhonatan Leonel Hernndez Rojas COD. 1090121

UNIVERSIDAD FRANCISCO DE PAULA SANTANDERFACULTAD DE INGENERIAS- INGENIERIA ELECTROMECNICA

RESUMEN: en el presente informe se desarrolla el diseo e implementacin de un convertidor CD/CD BOOST, teniendo en cuenta los parmetros establecidos en el tem 3.uttilizando un control de modo corriente y voltaje modulado con PWM.Palabras claves: convertidor DC/DC, control PWM realimentado, control modo corriente, control modo voltaje, convertidor boost.

1. INTRODUCION

Los convertidores CD-CD son circuitos electrnicos de potencia que convierten una una tensin continua en otro nivel de tensin continua y normalmente, proporciona una salida regulada.Elconvertidor Boost(o elevador) es unconvertidor DC a DCque obtiene a su salida unatensincontinua mayor que a su entrada. Es un tipo defuente de alimentacinconmutada que contiene al menossemiconductores(diodo y transistor), y al menos un elemento para almacenarenerga(condensador, bobina o combinacin de ambos). Frecuentemente se aadenfiltrosconstruidos con inductores y condensadores para mejorar el rendimiento.En el presente informe se el planteamiento de las actividades y de la dinmica del convertidor DC-DC reductor, a implementar; teniendo por parmetros de diseo voltaje entrada 24v _+ 20%, una carga 50v, variable de 40w y 100w, frecuencia de conmutacin 50khz, voltaje rizado en la salida: 1%, corriente rizado en la entrada: 20%.este sistema se empleara usando un control modo corriente modulado con PWM.2. OBJETIVOSObjetivo general.

Disear e implementar un convertidor CD/CD elevador con control de modo corriente y voltaje cuya caracterstica de salida sea un voltaje de 50v con un rizado de 1% para manejar una carga entre 40 y 100 W, disponiendo de un voltaje de entrada 24 20%v con un rizado en la corriente de entrada 20%.

Objetivos especficos

Recopilar y clasificar la informacin necesaria para el desarrollo del proyecto.

Seleccionar de acuerdo a los clculos previos del diseo, los dispositivos elctricos y electrnicos necesarios en la implementacin del proyecto.

Reconocer la importancia de los filtros L y C en los convertidores DC/DC Proponer un circuito que implemente el control modo voltaje y corriente modulado con PWM que se ajuste a la necesidad de diseo como control realimentado.

Disear e implementar el acondicionador de seal que permitir sensar el voltaje a la salida del sistema.

3. PARAMETROS DE DISEO

Voltaje de entrada: 24v 20%Voltaje de salida: 50vRizado de corriente de entrada: 20%Rizado de voltaje de salida: 1%Potencia de salida: 40w-100w

4. MARCO TEORICO

DIAGRAMA DE BLOQUES DEL RECTIFICADOR MONOFSICO DE PUENTE COMPLETO CONTROLADO Y DE LAZO CERRADO

En el siguiente diagrama de bloques se observa la dinmica del lazo de control a implementar, esta se inicia censando la salida de voltaje del convertidor para luego acondicionarla a valores estandarizados (de 0v a 5v), esta ser llevada y comparada con nuestra seal de referencia o set point, que de acuerdo a los requerimientos de diseos deber representar 24v a la salida del convertidor

Fig. 1: Diagrama de bloques del convertidor boost, usando control modo corriente y modulado en pwm a lazo cerrado.

CONVERTIDORES DC-DCLos convertidores CD-CD son circuitos electrnicos de potencia que convierten una una tensin continua en otro nivel de tensin continua y normalmente, proporciona una salida regulada. Estos se clasifican como convertidores CD-CD conmutados dando a su salida unatensin reguladay, la mayora de las veces con limitacin de corriente. Se tiende a utilizar frecuencias de conmutacin cada vez ms elevadas porque permiten reducir la capacidad de los condensadores, con el consiguiente beneficio de volumen, peso y precio.TOPOLOGAS COMUNES DE LOS CONVERTIDORES DC-DC CONMUTADOSA continuacin se muestran una breve de explicacin de algunas topologas comunes de los convertidores CD-CD, haciendo nfasis en la topologa del convertidor boost, en el cual se centra el desarrollo del proyecto.CONVERTIDOR REDUCTORSon los convertidores que a la salida se obtienen una tensin Us menor que la entrada, Ue. Este tipo de convertidor no ofrece aislamiento entre las tensiones de entrada y salida.

Fig.2: Topologa del Convertidor buck (Reductor) [10]El interruptor controlado S permite la entrada de energa desde la alimentacinUe al circuito LCR cuando est cerrado, haciendo que la bobina L se cargue en corriente. Cuando est abierto, el diodo D permite la circulacin de corriente desde la bobina L al circuito CR.

CONVERTIDOR REDUCTOR ELEVADOR (BUCK-BOOST)

Los convertidores reductores-elevadores, son los que a la salida se obtiene una tensin que puede ser ms baja o ms alta que la de entrada. La topologa bsica es la del convertidor Buck-Boost.

Fig.3: Topologa del Convertidor buck boost (Reductor-elevador) [10]El convertidor Buck-Boost tampoco ofrece aislamiento entre las tensiones de entrada y salida, al igual que los convertidores Buck y Boost.Cuando el interruptor S est cerrado, permite la circulacin de corriente a travs de L, cargndose. Cuando est abierto, el diodo D permite la circulacin de la corriente almacenada en la bobina L al circuito de salida CR.La tensin a la salida del convertidor Buck-Boost depende del ciclo de trabajo del interruptor S.

CONVERTIDOR DE MEDIO PUENTE

Es la topologa ms utilizada para convertidores de tensiones de entrada altas, como reductor, y en menor medida como elevador, y permite manejar potencias de hasta 1 kW.

Suele tener una eficiencia tpica del 80% a una potencia de 500 W. Tiene un ciclo de trabajo mximo del 50% y asla la entrada de la salida mediante un transformador, puede trabajar como elevador de la tensin o reductor, dependiendo de la relacin de espiras del transformador y del ciclo de trabajo de los interruptores.Para el convertidor en medio puente, mostrado en la imagen siguiente, Los condensadores C1 y C2, de capacidad elevada e igual, forman un divisor de tensin de tal forma que la diferencia de potencial en ellos se puede considerar igual a ue /2.

Fig.4: Topologa del Convertidor de medio puente. [10] Cuando el interruptor S1 est en conduccin la tensin de C1 se aplica directamente al primario del transformador inducindose una tensin un2 en el secundario de este, como el diodo DS1 esta polarizado directamente y DS2 en inversa, DS1 conduce y carga el condensador C a travs de L.

Cuando se abre el interruptor S1, la tensin aplicada al primario del transformador se anula, y los diodos DS1 y DS2 quedan polarizados directamente por el cambio de polaridad en L.Cuando el interruptor S2 entra en conduccin, la tensin de C2 se aplica al primario del transformador, pero con polaridad inversa respecto a la del ciclo anterior, inducindose nuevamente una tensin uN2 de signo negativo en el secundario, que polariza directamente el diodo DS2 e inversamente el diodo DS1.

Es muy importante que los interruptores S1 y S2 no se conecten al mismo tiempo. Si esto ocurriera se producira un cortocircuito en la alimentacin. Por esto el ciclo de trabajo mximo debe estar limitado a 0.5.

CONVERTIDOR EN PUENTE COMPLETO

Este tipo de convertidor es idneo para potencias superiores a 1 kW, donde las corrientes en los transistores de conmutacin son excesivas. El empleo de cuatro transistores que deben ser excitados por separado, hace que el circuito de disparo sea ms complejo que en otras configuraciones.

El convertidor en puente completo tiene un rendimiento caracterstico del 75% a 1 kW de potencia. Tambin tiene un ciclo de trabajo del 50% como mximo en cada transistor y asla la salida de la entrada a travs de un transformador.

El convertidor en puente completo, mostrado en la figura, es muy similar al convertidor en medio puente, en lugar de S1 en el medio puente, en el puente completo se conectan S1 y S4 al mismo tiempo, y S2 con S3 en vez de S2 solo.

Fig.5: Topologa del Convertidor en puente completo [10]La diferencia con la topologa en medio puente, es que la tensin que se aplica al transformador es la de alimentacin Ue y no Ue /2.

CONVERTIDOR ELEVADOR (BOOST)

El convertidor Boost es un convertidor DC a DC que obtiene a su salida una tensin continua mayor que a su entrada. Es un tipo de fuente de alimentacin conmutada que contiene al menos dos interruptores semiconductores y al menos un elemento para almacenar energa.

Fig.6: Topologa del Convertidor elevador (Boost) [10]El principio bsico de este convertidor consiste en dos estados distintos dependiendo del estado del interruptor:

1.) Cuando el interruptor est cerrado, la bobina almacena la energa de la fuente, a la vez la carga es alimentada por el condensador.

2.) Cuando el interruptor est abierto, el nico camino para la corriente es a travs del diodo y circula por el condensador (hasta que se carga completamente) y la carga.En si el convertidor boost est formado por dos interruptores de potencia: Un Mosfet con el que controlamos el encendido y apagado, y un diodo de conmutacin rpida.

FUNCIONAMIENTO DEL CONVERTIDOR BOOSTModulacin por ancho de pulsosLa tcnica de PWM (pulse width modulation) permite encender y apagar los semiconductores de potencia (Mosfets), para obtener una tensin troceada a la salida a partir de la cual interesa percibir nicamente el valor medio de dicha tensin. En el convertidor boost lo que har es dar las ordenes de encendido y apagado para el mosfet.

Esta tcnica consiste en comparar una seal triangular con una tensin de control que dar una onda cuadrada indicando al Mosfet cuando debe encenderse y cuando apagarse, la construccin tpica de un circuito PWM se lleva a cabo mediante un comparador con dos entradas y una salida. En la cual compara dos seales analgicas:

Una seal de continua que se encarga de conseguir el valor medio de tensin a la salida esta tensin recibe el nombre de modulante. La otra es una seal triangular que define la frecuencia de conmutacin del Mosfet

Parmetros relevantes del PWM La relacin de amplitudes entre la seal portadora y la moduladora, siendo recomendable que la ltima no supere el valor pico de la portadora y est centrada en el valor medio de sta. La relacin de frecuencias, donde en general se recomienda que la relacin entre la frecuencia de la portadora y la de seal sea de 10 a 1. CONTROL EN MODO TENSIN.En los circuitos reales con componentes no ideales la tensin de salida es una funcin de las siguientes variables: tensin de entrada, corriente de carga y cadas de tensiones en los componentes semiconductores y resistencias parsitas. La tensin de salida de la fuente de alimentacin se controla modificando el ciclo de trabajo para compensar las variaciones de la misma ante variaciones de las variables ya mencionadas. Los sistemas de control realimentados para fuentes conmutadas de alimentacin comparan la tensin de la salida con una referencia y convierten el error en un determinado valor de ciclo de trabajo. Este tipo de control se denomina control en modo tensin y como ya se ha mencionado antes solo tiene un lazo de realimentacin que est formado por: un sensor de tensin, un amplificador de error compensado y un comparador.

Fig. 7: control en modo de tensin de un convertidor elevador

El amplificador de error compensado compara la tensin de la salida del convertidor (en realidad solo toma un valor veces inferior al valor de la tensin de salida) con una tensin de referencia para producir una seal de error, que se utilizar para ajustar el ciclo de trabajo del MOSFET, La compensacin asociada al amplificador determina el funcionamiento del bucle de control y proporciona un sistema de control estable.

CONTROL EN MODO CORRIENTE DE PICO.

El convertidor elevador es controlado mediante una seal PWM, que de forma similar al control en modo tensin se genera a partir de la comparacin entre una tensin, que a efectos de control puede ser considerada casi continua y una seal triangular de frecuencia igual a la frecuencia de conmutacin. En el CMC la seal triangular es la propia corriente instantnea de la bobina convertida a tensin por el sensor de corriente.

En el lazo de tensin se encuentra el amplificador de error compensado, que al igual que en los dos casos anteriores amplifica la diferencia entre la seal procedente del sensor localizado en el filtro de salida del convertidor y un valor de referencia, esta seal se denomina error. El valor del error puede considerarse continuo durante un ciclo de trabajo.

5. MODELO MATEMTICO DEL CONVERTIDOR BOOSTD de trabajo y Calculo del filtro L y CAnlisis del conversor

Fig. 8 convertidor dc/dc elevador potencia de V2 a V1

Fig. 9 forma de onda de voltaje y corriente en los interruptoresAnlisis s1 onAnlisis s1 off Sabiendo que y asumiendo que

Fig. 10 forma de onda de voltaje y la corriente en el inductor

Igualando a cero la ecuacin tenemos para hallar Dmax

Anlisis de conservacin de energa Pin=Pout

de (4.)

Remplazando tanto como en (5.)

Para hallar L critica tenemos que

Fig. 11 forma de onda voltaje corriente interpuesto

CALCULOS DE LOS FILTROS L Y C

Para hallar la capacitancia tenemos , , Para hallar el valor de L se tiene (3.)

FUNCION DE TRANFERENCIA DEL CONVERTIDOR Y ESTRATEGIA DE CONTROL

Fig. 12 Modelamiento DC- DC elevado r(boost)/ ideal.Para obtener el modelo del convertidor debemos analizar los estados de activacin de los interruptores de la siguiente maneraEn la figura (a) se observa el estado de activacin de Q en un tiento D y en la figura (b) se observa la activacin del interruptor complementario de Q en un tiempo igual a (1-D).A - B

Fig. 13 estado de activacin.

Analizando los dos estados tenemos que:

Llevando (1.) y (2.) a trminos de Laplace y sustituyendo las ecuaciones entre si obtenemos que

Sustituyendo (2.) en (1.) tenemos que

Modelamiento del conversor dc-dc elevador (boost)/ real

Fig. 14 modelamiento del conversor DC/DCAnalizando los dos estados tenemos que:

Llevando (1.) y (2.) a trminos de Laplace y sustituyendo las ecuaciones entre si obtenemos que

Sustituyendo (2.) en (1.) tenemos que

SELECCIN DE DISPOSITIVOS SEMICONDUCTORESSegn las caractersticas de voltaje y corriente a la salida del dispositivo que se muestran en la fig. 15.

Fig. 15 Caractersticas V-I del comportamiento de las seales a la salida del convertidor Boost. [10]

ELECCION DEL MOSFETDe acuerdo con las caractersticas de voltaje y corriente, el dispositivo controlado que se implement, fue un transistor tipo Mosfet de referencia IRF530 cuyos parmetros de operacin estn establecidos en [11].

Fig. 16: Mosfet canal N IRF530Para el dispositivo no controlado se seleccion e implemento con el diodo de conmutacin rpida BYW29 cuyos parmetros de operacin estn establecidos en [12].

Fig. 17: diodo de conmutacin rpida BYW29

Construccin del inductorEl inductor se implement con un ncleo toroidal de ferrita de rea transversal rectangular como se muestra en la figura 16.

Fig. 18 inductor implementado. ETAPA DE CONTROLLa etapa de control se implement con un microcontrolador pic 18f2550 de microchip.

Fig. 19: asignacin de pines para el microcontrolador 18f2550. [13].PORGRAMACION MADRINAIMPLEMENTACION DE CIRCUITOSFig 20: diagrama pcb del circuito de potencia

Fig 21: diagrama pcb del circuito de control

Fig. 22: circuito de potencia.SIMULACIONES

Fig. 23: simulaciones de onda de entrada y salida del inversor cd/cd

Fig. 24:

Fig.25: sistema de la seal rampa obtenida en la simulacin con una fuente triangular en la entrada

Fig.26: comportamiento al variar la rampa el control se mantiene.

Fig.27: Estudio de la respuesta del sistema ante escaln de entrada

Fig.28: PWM

CONCLUSIONES

BIBLIOGRAFIA

[1]. Power Electronics: Converters, Applications and Design, Mohan, Undeland y Robbins.

[2]. Eletrnica de Potncia, J. A. Pomilio, Universidade Estadual de Campinas, SP - Brasil.

[3]. BLANES, Jose. SIRVET, Ausias. CARRASCO, Jose, A. Electrnica de potencia, escuela politcnica superior de elche

[4].Electrnica de Potencia, D. W. Hart, Valparaso University, Valparaso Indiana. Prentice Hall.

[5]. GUIAS POTENCIA II ing. German Gallego

[6]. http://hdl.handle.net/2454/10048

[7].http://zaguan.unizar.es/TAZ/EINA/2013/11969/TAZ-PFC-2013-472.pdf

[8].http://www.scielo.org.co/pdf/tecn/v16n33/v16n33a02.pdf

[9].http://www.scielo.org.co/pdf/tecn/v14n26/v14n26a02.pdf

[10].Nogueiras M, Andrs, "Nueva Metodologa de Modelado y Simulacin No Lineal. Aplicacin a Convertidores PWM Continua / Continua en Paralelo de Alto Rendimiento". Apndice A - Clasificacin y Anlisis de los Convertidores Conmutados PWM. Pp. 143-170. Director: D. Alfonso Lago Ferreiro.Tesis Doctoral. Universidad de Vigo. Departamento de Tecnologa Elctrica. 2003.Disponible en http://www.dte.uvigo.es/tesis/andres.nogueiras/apendice-a.pdf[11]http://pdf.datasheetcatalog.com/datasheet/SGSThomsonMicroelectronics/mXuqsrz.pdf[12]http://pdf.datasheetcatalog.com/datasheet2/7/0t7dw89axlyrdhs8xyp6ils60wky.pdf[13]http://pdf.datasheetcatalog.com/datasheet/microchip/39617a.pdf