DISEO CALCULO E IMPLEMENTACIN DE UN INVERSOR MONOFASICO CON CONTROL DE MODO VOLTAJEPARA ALIMENTAR UNA CARGA RESISTIVA DE 60W

Luis Eduardo Amaya Maldonado, Carlos Eduardo Gutierrez Ortiz, Oswaldo Rafael Lopez Baron 1090371, 1090373, 1090377

INGENIERA ELECTROMECNICA

UNIVERSIDAD FRANCISCO DE PAULA SANTANDER 12

Resumen Se dise e implement un convertidor DC/DC Boost teniendo en cuenta los requerimientos de voltaje de salida y potencia consumida por el sistema, seguido de un convertidor flyback y por ultimo un inversor senoidal.

Palabras clave Convertidor DC/DC, lazo de control, overshoot, PWM.

Abstract It was designed and implemented a DC / DC boost converter taking into account the requirements of output voltage and power consumed by the system, followed by a flyback converter and finally a sine wave inverter.

keywords: Converter DC/DC, loop control, overshoot, PWM.

I. INTRODUCCIN

En electrnica de potencia ocupan una importante posicin el estudio y desarrollo de los convertidores dc /dc, los cuales se dividen en dos topologas, reductor (buck), elevador (boost). Debido a que estos dispositivos transforman corriente continua de una tensin a otra, normalmente suelen ser interruptores de conmutacin el cual da a su salida una tensin mejorada. En la actualidad se estn desarrollando diversas investigaciones relacionadas con este tipo de convertidores, como Convertidor multinivel DC/DC de alto voltaje en topologa escalera [1] El cual se compara con otra estructura conocida llamada flying capacitors y muestra su sencillez en la implementacin y en el control.Adicionalmente las topologas utilizadas ampliamente en la reduccin activa de contenido armnico plantean grandes retos de diseo debido a lo complejo del modelo matemtico y su caracterstica dinmica altamente no lineal. Tcnicas de inteligencia artificial como las redes neuronales, suponen grandes mejoras en el diseo y desempeo final, dada su capacidad de aprender dinmicas complejas y generalizar su comportamiento [2], As como la implementacin de un nuevo control digital para convertidores DC/DC y DC/AC, el cual se desarrolla por modulacin de ancho de pulso (PWM-Digital) El controlador PWM-Digital combina el esquema de control por promedio cero de la dinmica del error (ZAD), ya reportado en la literatura, con el esquema de control por induccin al punto fijo (FPIC) an en fase de experimentacin. [3] con base en la revisin bibliogrfica desarrollada anteriormente podemos establecer desde este contexto, que los conceptos bsicos de los convertidores de electrnica de potencia, hacer parte de la base fundamental para el desarrollo tecnolgico y cientfico de nuestro campo investigativo.

II. OBETIVOS

Realizar una revisin bibliogrfica (bases de datos, proyectos de grado, tesis doctorales, repositorios, review) sobre los temas a fines a tratar con los del proyecto.

Establecer de acuerdo a los requerimientos del diseo los dispositivos a utilizar (electrnicos, elctricos, mecnicos, etctera).

Obtener el modelo matemtico que describe el comportamiento de la dinmica del convertidor.

Disear un circuito que implemente el control PWM, con base a los requerimientos iniciales del proyecto.

Comparar distintos mtodos por los cuales podamos lograr el desarrollo del proyecto.

III. MARCO TERICO

En diversas aplicaciones industriales, es necesario el convertir una fuente de poder de corriente directa (CD) de voltaje fijo o variable. Un convertidor de CD, convierte de CD a CD directamente. Es te convertidor s e puede considerar como el equivalente a un transformador de corriente alterna (AC) con una relacin de vueltas que vara en forma continua. Al igual que un transformador, puede usarse como una fuente de CD reductora o elevador de voltaje.

Es grande la aplicabilidad que se tiene en el medio industrial el uso de este tipo de convertidores y por ende se hacen necesarios a la hora de implementar o disear etapas de potencia. De esta manera se mencionan algunos trabajos realizados donde se utiliza este tipo de convertidores:

En la tesis, Energa elica y diseo de control de voltaje y frecuencia para un convertidor de potencia con topologa CA/CD- CD/CD CD/CA; del Instituto politcnico nacional de Mxico. Autor: Marco Antonio Morales. Muestra la gran importancia que se puede dar a las aplicaciones de los convertidores y como el uso del convertidor elevador CD/CD es indispensable para el desarrollo de tal diseo.

Modelado y control de un sistema hibrido de generacin de energa elctrica. Publicado en la revista ciencia y tecnologa de la Universidad de Palermo. Autor: Omar Aguilar.

Aprovechamiento de la energa solar para aplicaciones de CD a travs de convertidores eficientes. Autor: Pedro Buenaos, OSward Jimenez. Dpto de Electrnica. Universidad de las Americas Puebla. Mexico.

Diseo de un convertidor DC/DC con conmutacin forzada por voltaje y modulacin. Escuela superior politcnica del litoral. Autor: Hector Lee, Raul Mendoza. Guayaquil Ecuador.

En la actualidad existen dos mtodos claramente diferenciados para realizar la conversin DC/DC:

Convertidores lineales: basados en el empleo de un elemento regulador que trabaja en su zona resistiva disipando energa.

Convertidores conmutados: Basados en el empleo de los elementos semiconductores que trabajan en conmutacin (corte /conduccin), regulando de esta forma el flujo de potencia hacia la salida del convertidor. Estos dispositivos semiconductores pueden ser, indistintamente un transistor (BJT, MOSFET, IGBT) o un tiristor o GTO. El empleo de un dispositivo u otro depender de las caractersticas y necesidades de la aplicacin a desarrollar.

Topologas de convertidores DC/DC

Entre estas encontramos:

Convertidor Buck. Convertidor Boost. Convertidor Buck-boost. Convertidor fly-back. Convertidor push-pull. Convertidor CUK

Celda cannica de conmutacin

Esta es la topologa practica ms elemental del convertidor DC/DC, esta celda representa el bloque bsico que conforma a todos los convertidores CD/CD de alta frecuencia. [4]

Fig.1. Topologa de la celda cannica de conmutacin. [5]

Las diferencias entre los convertidores radican fundamentalmente, en la manera como se conectan los sistemas externos a la celda. Estas conexiones determinan las relaciones de conversin de entrada/salida y los esfuerzos impuestos a los componentes de la celda, debido a los niveles d voltaje y corriente. [4]

Como se observa en la Fig.1 la topologa de la celda, se destacan tres terminales A, B, C, y un interruptor de doble tiro, adems de los elementos capacitivos e inductivos.

En la Fig.2 se muestra la topologa resultante de hacer el terminal B como comn, esta topologa es denominada, convertidor directo ya que existe un paso de corriente de forma directa entre el puerto de entrada y el puerto de salida.

Fig.2 Topologa de convertidor directo. [4]

Este convertidor es reductor (Buck) si se alimenta por el puerto A, y elevador (Boost) si se alimenta por el puerto C.

Al disponer el terminal C como comn, se obtiene la topologa del convertidor indirecto, que puede ser elevador o reducto dependiendo de su relacin de trabajo alimentando siempre por el puerto A. Fig.3.

Fig.3. Topologa del convertidor indirecto. [4]

Convertidor DC/DC elevador (BOOST)

El convertidor tipo Boost es un circuito elevador de tensin, que usa las caractersticas del inductor y el capacitor como elementos almacenadores de energa para elevar la corriente proveniente de la fuente de alimentacin y usarla para inyectarla al condensador, produciendo as niveles de voltaje mayores en la carga que los de la fuente. El interruptor en el esquema (Fig.4), consiste de dos elementos: un elemento de conmutacin rpida como un transistor BJT, un Mosfet o el ms comnmente usado el IGBT y el otro, un diodo con un tiempo de recuperacin mucho menor que el periodo de la seal de control; la funcin de ste ltimo, es impedir que la corriente de descarga del condensador se devuelva, ya que se desea que cuando la fuente se desconecta del condensador y de la resistencia de carga para almacenar energa en la bobina, se suministre corriente a la carga mediante la descarga del condensador.

Cuando el transistor est en conduccin (interruptor en 1), la inductancia almacena energa para luego suministrarla simultneamente a la carga y al condensador a otro nivel de voltaje en los intervalos en los que el transistor est en corte (interruptor en 2).

Fig.4. Circuito conversor elevador. [6]

El interruptor en la posicin 1 del circuito fsico (Fig.5), indica que el transistor esta en saturacin, por lo que el nodo del diodo queda cortocircuitado a tierra, con esto, el diodo queda en polarizacin inversa y por consiguiente no conduce comportndose como un interruptor abierto.

Fig.5. Convertidor real con transistor y diodo que complementa la funcin del interruptor. [6]

Controlador analgico

El control analgico es aquel en el que las variables a controlar y las que se procesan en el sistema se presentan de forma continua, de modo que las relaciones que aparecen entre las seales de entrada y salida son ecuaciones y funciones continuas. Esto hace que durante el proceso de anlisis y sntesis se puede aplicar la teora de la transformada de Laplace y todas sus consecuencias, como el estudio de la estabilidad de los sistemas y su optimizacin.

En general los sistemas analgicos son muy empleados para el control de variables analgicas, como la velocidad, la presin de un fluido, la temperatura, la tensin de alimentacin, humedad, luminosidad, etc.

Caractersticas de un sistema de control

Seal de Corriente de Entrada: Considerada como estmulo aplicado a un sistema desde una fuente de energa externa con el propsito de que el sistema produzca una respuesta especfica.

Seal de Corriente de Salida: Respuesta obtenida por el sistema que puede o no relacionarse con la respuesta que implicaba la entrada.

Variable Manipulada: Es el elemento al cual se la modifica su magnitud, para lograr la respuesta deseada. Es decir, se manipula la entrada del proceso.

Variable Controlada: Es el elemento que se desea controlar. Se puede decir que es la salida del proceso.

Conversin: Mediante receptores se generan las variaciones o cambios que se producen en la variable.

Variaciones Externas: Son los factores que influyen en la accin de producir un cambio de orden correctivo.

Retroalimentacin: La retroalimentacin es una caracterstica importante de los sistemas de control de lazo cerrado. Es una relacin secuencial de causas y efectos entre las variables del sistema. Dependiendo de la accin correctiva que tome el sistema, este puede apoyar o no una decisin, cuando en el sistema se produce un retorno se dice que hay una retroalimentacin negativa; si el sistema apoya la decisin inicial se dice que hay una retroalimentacin positiva.

Control a lazo abierto

Sistemas de control en lazo abierto son sistemas en los que la salida no tiene efecto sobre la accin de control, o dicho de otra forma, son aquellos en los que la seal de salida no tiene influencia sobre la seal de entrada.

La variable que deseamos controlar puede divergir considerablemente del valor deseado debido a las perturbaciones externas, por lo que, en este tipo de sistemas interesa una gran calibracin de los componentes que forman las di-versas etapas, as como la no existencia de dichas perturbaciones.

Fig.6. sistema de control de lazo abierto. Fuente: Propia autora

Control de lazo cerrado

Son los sistemas en los que la accin de control est en funcin de la seal de salida. El sistema es ms flexible y capaz de reaccionar si el resultado que est obteniendo no es el esperado; los sistemas a los que podemos llamar robots casi siempre son de lazo cerrado.

Fig.7. Sistema de control de lazo cerradoFuente: Propia autora.

Una vez se tiene la funcin de transferencia que describe la dinmica del proceso a controlar, se procede a realizar un anlisis de estabilidad del sistema del cual se obtiene el criterio necesario para seleccionar la estrategia de control que linealizar el sistema.

Control proporcional

La parte proporcional consiste en el producto entre la seal de error y la constante proporcional para lograr que el error en estado estacionario se aproxime a cero, pero en la mayora de los casos, estos valores solo sern ptimos en una determinada porcin del rango total de control, siendo distintos los valores ptimos para cada porcin del rango. Sin embargo, existe tambin un valor lmite en la constante proporcional a partir del cual, en algunos casos, el sistema alcanza valores superiores a los deseados. Este fenmeno se llama sobreoscilacin y, por razones de seguridad, no debe sobrepasar el 30%, aunque es conveniente que la parte proporcional ni siquiera produzca sobreoscilacin.

Control integrativo

El modo de control Integral tiene como propsito disminuir y eliminar el error en estado estacionario, provocado por el modo proporcional. El control integral acta cuando hay una desviacin entre la variable y el punto de consigna, integrando esta desviacin en el tiempo y sumndola a la accin proporcional. El error es integrado, lo cual tiene la funcin de promediarlo o sumarlo por un perodo determinado.

Control derivativo

La accin derivativa se manifiesta cuando hay un cambio en el valor absoluto del error; (si el error es constante, solamente actan los modos proporcional e integral).

El error es la desviacin existente entre el punto de medida y el valor consigna, o "Set Point".

La funcin de la accin derivativa es mantener el error al mnimo corrigindolo proporcionalmente con la misma velocidad que se produce; de esta manera evita que el error se incremente.

Fig.8. Acciones de control PID.Fuente: Propia autora.

Cada una de estas acciones de control se pueden unir en la sintonizacin del controlar analgico, formando as controles PI, PD, PID.

Control PWM

La modulacin por ancho de pulso (PWM) (pulse width modulation) de una seal o fuente de energa es una tcnica en la que se modifica el ciclo de trabajo (D) de una seal peridica (una sinusoidal o cuadrada), ya sea para transmitir informacin a travs de un canal de comunicaciones o para controlar la cantidad de energa que se enva a una carga.

El ciclo de trabajo de una seal peridica es el ancho relativo de su parte positiva en relacin con el perodo. Expresado matemticamente:

D Es el ciclo de trabajo. Es el tiempo en que la funcin es positiva (ancho del pulso). T Es el perodo de la funcin.

Fig.9. Ondas PWM, con D igual al 50% y 20%.[7].

La construccin tpica de un circuito PWM se lleva a cabo mediante un comparador con dos entradas y una sal ida. Una de las entradas es una onda dientes de sierra, mientras que la otra queda disponible para la seal moduladora. En la salida la frecuencia es generalmente igual a la de la seal dientes de sierra, y el ciclo de trabajo est en funcin de la portadora.

IV. PARMETROS DE DISEO

Voltaje de entrada: 24 10% Voltios.Voltaje de salida: 40 Voltios.Potencia de salida: 60 W.Frecuencia de conmutacin: 100 KHz.

V. CALCULOS

Elevador DC/DC

Vin = 24 VVout = 40 VIout = 2 A

D =

D =

Dmax =

Dmin =

Lmin =

Iload =

Vref = 1.23

Vout =

40=

R2 = 1k

R1 = 31.5k

FLY-BACK

Vin = 40 VVout = 172 VN = 12

D =

D =

Vsw(off) =

Vsw(off) =

ID RMS =

PDIODO = Vd * + Vd *

PDIODO = 200 * 0.462 + 0.1 *

PDIODO = 95 W

VI. SELECCIN DE DISEOVII. IMPLEMENTACIN

Fig.36. Controlador anlogo empleado para el convertidor DC/DC BOOST.Fuente: Autora propia.

El controlador anlogo resultante se observa en la Fig.36.

La implementacin del control anlogo no cumple las exigencias del diseo, debido que al variar la carga, cambian las condiciones de trabajo y no se logra tener un control completo sobre la planta. Por ello se hace necesario cambiar el controlador por uno digital empleando un microcontrolador que controle el sistema sin importar lo que vea el circuito de potencia. El circuito empleado se observa en la Fig.37 presente en la seccin de anexos. Su debida respuesta para una entrada escaln al sistema se presenta en la Fig.38 presente en la seccin de anexos. La programacin del microcontrolador se muestra en la misma seccin de anexos.

VIII. CONCLUSIONES

Debido a la frecuencia de conmutacin (50KHz) a la que se dispuso para la operacin del, sistema se hizo necesario la implementacin de convertidores operacionales que operan por encima de esta frecuencia, por ello se implement el dispositivo LM6172.

La seleccin del valor del punto crtico en el valor de voltaje de entrada mnima, es dado que el valor de L y C son directamente proporcionales a valor del ciclo til, y el valor de D es mayor cuando el voltaje de entrada en menor.

El lazo de control interno es muy rpido por lo cual al sistema anlogo le queda difcil cumplir con los requerimientos de forma adecuada.

En la implementacin del sistema junto con el controlador, se evidencio que al cambiar resistencia de la carga, el valor del voltaje a la salda vario de forma considerable, haciendo que el sistema saliera de las condiciones de diseo. Por ello se propuso cambiar de un controlador anlogo hacer implementado este de forma digital, con la implementacin de un microcontrolador.

Se determin de forma experimental que al dividir la capacitancia de salida en varias, conectadas en paralelo haciendo que la suma se la misma que se calcul, mejora el rizado de salida, esto dado a que al coloca estas capacitancias en paralelo disminuye el ESR.

Al implementar y realizar las pruebas finales para el sistema de control digital, se logr alcanzar los requerimientos de diseo, adems de un ptimo funcionamiento de convertidor Boost.

IX. RESULTADOS Y DISCUSIN

Los resultados finales de este diseo se entregarn en la fecha de sustentacin junto con su respectiva tabla de validacin la cual verifica los datos obtenidos.

X. BIBLIOGRAFA

[1]. M. Lpez-Caon, R. F. Dez-Medina, G. Perilla-Galindo, and Diego Alejandro Patio- Guevara. Convertidor DC/DC de alto voltaje en topologa escalera, Red de Revistas Cientficas de Amrica Latina, el Caribe, Espaa y Portugal (Redalyc.org) ingeniera y universidad, vol. 16, nm. 1,enero-junio,2012, pp. 117-133, Pontificia Universidad Javeriana, Colombia.

[2]. F. H. Martnez Sarmiento, and M. Castiblanco Ortiz, Evaluacion de Control Neuronal con Arquitectura ptima para Convertidor DC/DC, Red de Revistas Cientificas de America Latina, el Caribe, Espaa y Portugal (Redalyc.org), Ingenieria e Investigacion, vol 29, nm. 3, diciembre, 2009, pp.134-138, Universidad Nacional de Colombia, Colombia.

[3]. F. E. Hoyos Velasco, F. Angulo Garcia, J. A. Taborda Giraldo, and G. Olivar Tost, IMPLEMENTATION OF A NEW DIGITAL CONTROL TECHNIQUE FOR DC-DC AND DC-AC POWER CONVERTERS, Red de Revistas Cientificas de America Latina, el Caribe, Espaa y Portugal (Redalyc.org), Dyna, Vol. 77, nm. 164, diciembre, 2010,pp. 189-199, Universidad Nacional de Colombia, Colombia.

[4]. Gallego G. E., Dispositivo y circuitos de electrnica de potencia, universidad nacional experimental del Tchira, 1997.

[5]. Gallego G. E., Elementos de electrnica de potencia, universidad francisco de Paula Santander, versin 2014.

[6]. Anlisis, simulacin y control de un convertidor de potencia DC-DC tipo BOOST. Freddy Fernando Valderrama, Henry Moreno C, Hctor Manuel Vega, 2011.

[7]. Electrnica de potencia. Muhammad H. Rashid, Muhammad H. Rasid Virgilio Gonzlez y Pozo Agustn Surez Fernndez. Pearson Educacin, 2004.

ANEXOS

Fig.37. Circuito del controlador digital empleando un microcontrolador PIC18F2550.Fuente: Autora propia.

Fig.38. Respuesta del sistema con el controlador digital.Fuente: Autora propia.

PROGRAMACIN DEL MICROCONTROLADOR PIC18F2550 PARA LA GENERACIN DE LA SEAL PWM QUE CONTROLA EL DISPARO DEL SEMICNDUCTOR DE POTENCIA DEL CONVERTIDOR DC/DC BOSST.