1 CARRERA DE INGENIERA ELECTRNICA E INSTRUMENTACIN Alumnos:Pablo
Aulestia Santiago Guamn Jonathan Talahua MATERIA:CONTROL ELECTRNICO
DE POTENCIA 2 INDICE OBJETIVO
............................................................................................................................................
3 Objetivo General 3 Objetivos Especficos. 3 EQUIPO Y MATERIALES
NECESARIOS.. 4 MATERIALES Y EQUIPOS4 RESUMEN:
...........................................................................................................................................
4 ABSTRACT:. 4 MARCO TERICO
...............................................................................................................................
5 CONVERSORES DC/DC (INTRODUCCIN)5 1.1CONVERTIDOR REDUCTOR5
1.2CONVERTIDOR ELEVADOR (BOOST)8 1.2.1La Condicin para corriente
continua en inductor y voltaje continuo en capacitor.
.........................................................................................................................11
1.3CONVERTIDOR REDUCTOR ELEVADOR12 1.3.1RELACIONES ENTRE LA TENSIN
Y LA CORRIENTE12 1.3.2ANLISIS DEL INTERRUPTOR CERRADO13
1.3.3ANLISIS DEL INTERRUPTOR ABIERTO13 1.3.4RIZADO DE LA TENSIN DE
SALIDA15 ACTIVIDADES A DESARROLLAR
.................................................................................................15
RESULTADOS OBTENIDOS
...........................................................................................................17
CONCLUSIONES
................................................................................................................................21
RECOMENDACIONES
......................................................................................................................22
REFERENCIAS BIBLIOGRFICAS Y DE LA WEB
.......................................................................22
ANEXOS:
.............................................................................................................................................24
3 UNIVERSIDAD DE LAS FUERZAS ARMADAS ESPE EXTENSIN LATACUNGA
DEPARTAMENTO DE ELCTRICA Y ELECTRNICA GUA DE PRCTICA DE LABORATORIO
CARRERA CDIGO DE LA ASIGNATURA NOMBRE DE LA ASIGNATURA Ingeniera
Electrnica e Instrumentacin 3750Control Electrnico de Potencia
PRCTICA N LABORATORIO DE:Nombre del Laboratorio a utilizar DURACIN
(HORAS) 3TEMA: Conversor DC-DC Reductor para variar la potencia
suministrada a una carga y el anlisis de sus caractersticas. 4
1OBJETIVO Objetivo General Implementar un conversor DC-DC Reductor
para variar la potencia suministrada a una carga y el anlisis de
sus caractersticasObjetivos
EspecficosInvestigarladefinicin,funcionamientoycaractersticasdelconversoresDC/DC
elevador, reductor y elevador-reductor. Disear e implementar un
circuito conversor DC/DC reductor. Analizar las caractersticas del
conversor al variar la relacin de trabajo.
Desarrollargraficasdeformasdeondaquenospermitencomprobarelcorrecto
funcionamiento de los circuitos. 4 2INSTRUCCIONES EQUIPO Y
MATERIALES NECESARIOS MATERIALES 1 potencimetro de 10K 1
resistencia de 10 1 Bobina de 10mH 1 Capacitor de 10uf 1 Diodo
Capacitores EQUIPOS Osciloscopio Voltmetro Fuente de poder DC.
Arduino Mega 2560
RESUMEN:Enestetrabajosepresentadefinicin,caractersticas,funcionamientoyesquemasdelosconvertidoresCD/CDquesoncircuitoelectrnicosdepotenciaqueconviertenobteneruna
tensincontinuaenotroniveldetensincontinuay,normalmente,proporcionanunasalida
regulada;loquenospermitirvariarlapotenciasuministradaaunacargayasicontrolar
variables como la velocidad de un
motor.LoscircuitosdescritosenestetrabajoseclasificancomoconvertidoresCD/CDenmodo
conmutadooconvertidoresCC-CCconmutados,quetambinsedenominanfuentesde
alimentacinconmutadas.Unadelasprincipalesaplicacioneseseldiseodefuentesde
alimentacin de
continua.Sedestacaelfuncionamientodelosconversorestantoreductorcomoelevadoryreductor-elevadoralvariarlarelacindetrabajoycompararconlacurvaidealesperada.Ademsse
indicalasformasdeondadevoltajeycorrienteenlacargayenlafuentedecadaconversor,
finalmentesemuestraanlisis,conclusionesyrecomendacionesenfocadosenlosresultados
obtenidos en la prctica en relacin con los resultados esperados
basados en la teora. ABSTRACT:
Inthispaper,definition,characteristics,operationandconvertersschemesCD/CDthatare
powerelectroniccircuitthatconvertaDCvoltagetoanotherDCvoltagelevelandusually
providearegulatedoutput,allowingustovarythepowersuppliedtoaloadandthereby
control variables such as the speed of a motor. The circuits
described in this paper are classified as converters DC / DC
switched-mode, which
arealsocalledswitchingpowersupplies,sinceoneofthemainapplicationsisthedesignof
continuous power sources. It highlights the operation of the
converters both lifting and lowering as buck-boost by varying the
working relationship and compare with the ideal curve expected.
Also indicates the voltage
waveformsandloadcurrentandthesourceofeachconverterfinallyshownanalysis,
conclusionsandrecommendationsfocusontheresultsobtainedinpracticeinrelationtothe
expected results based on the theory. 5 MARCO TERICO CONVERSORES
DC/DC (INTRODUCCIN)
ElobjetivodelosconversoresDC/DCesvariarelvoltaje,similarauntransformadoren
alterna y se utiliza en mquinas de DC. Topologas bsicas con un solo
interruptor de convertidores conmutados: Convertidor reductor
(Buck). Convertidor elevador (Boost). Convertidor reductor-elevador
(Buck-Boost). 1.1 CONVERTIDOR REDUCTOR Como implica su nombre,
unconvertidor reductor produce un voltaje mediode salida ms
bajoqueelvoltajeccdeentrada Vs.
Suaplicacinprincipalesenfuentesdeenergadecc regulada y el control
de velocidad de motores de cc. En lo conceptual,elcircuito bsico de
la figura 1aconstituye unconvertidor reductorpara
unacargapuramenteresistiva.Sisesuponeuninterruptorideal,unvoltajedeentrada
instantneoconstante Vs
yunacargapuramenteresistiva,laformadeondadevoltajede salida
instantneo se muestra en la figura 1bcomo funcin de la posicin del
interruptor. El voltaje medio de salida se calcula en trminos de la
relacin de trabajo del interruptor:
=
()
=
(
+
)
=
=
Ecuacin 1 Figura 1 Modulador de anchura de pulsos: a) diagrama
de bloques; b) seales del comparador.1 Alvariarlarelacindetrabajo
tencT delinterruptor,secontrola V0.Otraobservacin 1Imagen tomada de
Electrnicade Potencia; Circuitos, dispositivos y aplicaciones by
Muhammad H. Rashid pg. 144 6 importanteesqueelvoltajemediodesalida
V0 varalinealmenteconelvoltajedecontrol, como es el caso en
amplificadores lineales. En las aplicaciones reales, el circuito
antecedente tiene dos
desventajas:1)Enlaprctica,lacargaserainductiva.Inclusoconunacargaresistiva,siemprehabra
ciertainductanciadedispersin.Estosignificaqueelinterruptortendraqueabsorber(o
disipar) la energa inductiva y por lo mismo podra quedar
destruido.2)Elvoltajedesalidafluctaentreceroy Vs
,loquenoesaceptableenlamayoradelas aplicaciones. El problema de la
energa inductiva almacenada se supera mediante un diodo, como se
muestra en la figura2a. Las fluctuacionesdel voltaje de salida
disminuyen mucho cuando se usa un filtro pasa bajas, que consiste
en un inductor y un condensador. La figura
2bmuestralaformadeondadelaentrada
v0ifiltropasabajas,queconsisteenun componentedecc
V0,ascomolosarmnicosenlafrecuenciadeconmutacin fs ysus
mltiplos,comoseveenlafigura2b.Lascaractersticasdelfiltropasabajas,dondela
amortiguacinlaproporcionaelrestatodecargaR,semuestraenlafigura2c.La
frecuencia de ngulo fc de este filtro posa bajas se selecciona
demodo que sea mucho ms baja que la frecuencia de conmutacin, para
eliminar esencialmente la ondulacin o rizo de la frecuencia de
conmutacin en el voltaje de salida. Durante el intervalo en que el
interruptor est encendido, el diodo en la figura2a se vuelve de
polarizacin inversa, y la entrada proporciona energa tanto hacia la
carga como hacia el inductor. Durante el intervaloen que el
interruptor est apagado,lacorriente del inductor fluye a travs del
diodo, y transfiere una parte de su energa almacenada a la carga.
En el anlisisdel estado permanente se supone que el condensador de
filtrado en la salida
esmuygrande,comosuelesucederenaplicacionesquerequierenunvoltajedesalida
instantnea v0(t) V0 casi constante.En la figura 2a se observa que
en un convertidor reductor la corriente media del inductor es
igualalacorrientemediadesalida
I0,pueslacorrientemediadelcondensadorenestado permanente es cero.
Figura 2 Convertidor cc-cc2 Modo de conduccin continua 2 Imagen
tomada de Electrnicade Potencia; Circuitos, dispositivos y
aplicaciones by Muhammad H. Rashid pg. 145 7 La figura 3 muestra
las formas de onda para el modo de operacin de conduccin continua
dondela corriente del inductor fluye en forma continua [iL(t)
>0]. Cuando el interruptor estencendidoparaunaduracindetiempo
tenc,, elinterruptorconducecorrienteyel
diodosevuelvedepolarizacininversa.Estoresultaenunvoltajepositivo
vL=Vd V0 a travs del inductorenla figura3a. Este voltaje causa un
aumento lineal en la corrientedel inductor
iL.Cuandoelinterruptorestapagado,debidoalalmacenamientodeenerga
inductiva, iL contina fluyendo. Esta corriente fluye ahora a travs
del diodo, y vL=V0 en la figura 3b. Como en la operacin de estado
permanente la forma de onda se debe repetir de un periodo al otro,
la integral del voltaje del inductor vL a lo largo de un periodo
debe ser cero, donde T=tenc +tapag vLdtT0= vLdttenc0+ vLdtTtenc= 0
Figura 3 Estados del circuito de un convertidor reductor (si iL
fluye en forma continua): a) interruptor encendido b) interruptor
apagado3
Enlafigura3,laecuacinprecedenteimplicaquelasreasAyBdebenseriguales.Por
tanto, (Vs V0)tenc = V0(T tenc)
=
= ( ) Ecuacin 2
Porestarazn,lasalidadevoltajevaraenestemodoenformalinealconlarelacinde
3 Imagen tomada de Electrnicade Potencia; Circuitos, dispositivos y
aplicaciones by Muhammad H. Rashid pg. 146 8
trabajodelinterruptorparaunvoltajedeentradadado.Nodependedeningnotro
parmetro del circuito.La ecuacin que antecede tambin se
deducedelclculo simple del promediodelvoltaje v0i
;enlafigura2b,yalreconocerqueelvoltajemedioatravsdel inductor en la
operacin de estado permanente es cero: Vstenc + 0tapagT= V0
=
= Ecuacin 3
Siignoramoslasprdidasdepotenciaasociadascontodosloselementosdelcircuito,la
potencia de entradaPs es igual a la potencia de salida P0. Ps = P0
Por lo tanto VsIs = V0I0 VsV0 = I0Is = D
Porende,elconvertidorreductorenelmododeconduccincontinuaequivaleaun
transformadordeccdondelarelacindevueltasdeestetransformadorequivalentese
controla continuamenteen formaelectrnica enun rangode0-1
medianteelcontrol de la relacin de trabajo del interruptor.
Observamosqueapesardequelacorrientemediadeentrada Is
siguelarelacindel transformador, la forma de onda de la corriente
de entrada instantnea salta desde un valor pico a cero cada vez que
se apaga el interruptor. Quiz se requiera un filtro apropiado en la
entrada para eliminar los efectos no deseados de los armnicos de la
corriente. 1.2 CONVERTIDOR ELEVADOR (BOOST) La figura 4 muestra un
convertidor elevador que usa un MOSFET de potencia. Su aplicacin
principal es la fuente de energa de CC regulada y en el frenado
regenerativo de motores de
CCComoimplicasunombre,elvoltajedesalidasiempreesmsgrandequeelvoltajede
entrada. El funcionamiento del circuito se puede dividir en dos
modos. El modo 1 comienza
cuandodecierraeltransistorM1cuandot=0.Lacorrientedeentrada,queaumenta,pasa
porelinductorLyeltransistorQ1.Elmodo2comienzacuandoeltransistorM1
seapaga cuanto t=t1. La corriente en el inductor cae hasta que se
enciende de nuevo el transistor M1,
enelciclosiguiente.LaenergaalmacenadaenelinductorLpasaalacarga.Loscircuitos
equivalentespara los dos modosde operacin sevene la figura 5. Las
formas de onda de
voltajesycorrientessemuestraenlafigura6paraunacorrientecontinuaenlacarga,
suponiendo que la corriente sube y baja en forma lineal. 9 4 Figura
4 Diagrama del circuito 1 Figura 5 Circuitos equivalentes 4 Nota
Fuente: Rashid, M. H. (2004). Electrnica de potencia: circuitos,
dispositivos y aplicaciones. Mxico: Pearson Educacin pg. 191. 10 5
Figura 6 Formas de onda Suponiendo que la corriente en el inductor
aumenta en forma lineal de I1 a I2 en el tiempot1,
=
2 3
1=
1 Ecuacin 4 Es decir,
1 =
Ecuacin 5 y la corriente por el inductor baja en forma lineal
desde I1 hasta I2 en el tiempo t2,
=
2 Ecuacin 6 Entonces,
2 =
Ecuacin 7 En donde = 2 1 es la corriente de rizo pico a pico en
el inductor L. De las ecuaciones 1 y 2 =
1
= (
)2
Ecuacin 8 Se sustituye t1=kT y t2=(1-k)T para obtener el voltaje
promedio de salida, 5 Nota Fuente: Rashid, M. H. (2004). Electrnica
de potencia: circuitos, dispositivos y aplicaciones. Mxico: Pearson
Educacin pg. 191. 11
=
2 =
Ecuacin 9 Se sustituye k= t1/T= t1f en la ecuacin 6 para
obtener
1 =
Ecuacin 10 Suponiendo que el circuito no tiene prdidas,
=
=
/(1 ), y la corriente promedio de entrada es
=
1 Ecuacin 11 El periodo T de conmutacin se puede calcular como
sigue: = 1
= 1 +2 =
+
=
(
) Ecuacin 12 que permite obtener la corriente de rizo pico a
pico =
(
)
Ecuacin 13 es decir, =
Ecuacin 14 Cuando el transistor est encendido, el capacitor
suministra la corriente de carga durante t=t1. La corriente
promedio en el capacitor durante el tiempo 1 es
, y el voltaje de rizo pico a pico del capacitor es
=
( = 0) = 1
=101
=10
1
Ecuacin 15 Se sustituye 1 = (
)/(
) para obtener de la ecuacin 8 para obtener
=
(
)(
) Ecuacin 16 o bien,
=
Ecuacin 17 1.2.1
LaCondicinparacorrientecontinuaeninductoryvoltajecontinuoen
capacitor. Si
es la corriente promedio en el inductor, la corriente de rizopor
el inductor es =2
. Con las ecuaciones 6 y 11 se obtiene
=2
= 2
=2
(1 ) Ecuacin 18 Que determina el valor crtico
del inductorcomo sigue:
= = (1 )2 Ecuacin 19 Si Vc es el voltaje promedio del capacitor,
el voltaje de rizo del mismo es
= 2
. 12 Obtenemos entoncesapartir de la ecuacin 14
= 2
= 2
Ecuacin 20 que da como resultado el valor crtico del capacitor
Cc:
= =
2 Ecuacin 21
Unreguladorelevadorpuedesubirelvoltajedesalidasinuntrasformador.Comotiene
slountransistor,tienealtaeficiencia.Lacorrientedeentradaescontinua.Sinembargo
poreltransistordepotenciadebepasarungranpicodecorriente.Elvoltajedesalidaes
muy sensible a los cambios de ciclo de trabajo k y podra ser difcil
estabilizar el regulador. La corriente promedio de salida es menor
que la corriente promedio por el inductor, en un factor (1-k) y
pasara una corriente rms mucho mayor por el capacitor del filtro,
con lo que
serequiereusaruncapacitoryuninductordefiltromayoresquelosdeunregulador
reductor. 1.3 CONVERTIDOR REDUCTOR ELEVADOROtro convertidor bsico
en modo conmutado es el convertidor reductor-elevador, que se
muestra en la figura 7. La salida del convertidor reductor-elevador
puede ser mayor o menor que la tensin de entrada. Figura
7Convertidor reductor elevador (a) esquema del circuito.
(b)Equivalente del circuito cuando el interruptor esta cerrado.
(c)Equivalente cuando el interruptor esta abierto 1.3.1RELACIONES
ENTRE LA TENSIN Y LA CORRIENTE13 Se realizan las siguientes
suposiciones acerca del modo de operacin del convertidor: El
circuito opera en rgimen permanente La corriente en la bobina es
permanente El condensador es lo suficiente grande como para suponer
una tensin de salida constante. El interruptor est cerrado en un
tiempo DT y est abierto el resto del tiempo (1-D)T Los componentes
son ideales. 1.3.2ANLISIS DEL INTERRUPTOR CERRADO Cuando el
interruptor est cerrado, la tensin en la bobina la define la
ecuacin 22:
=
=
Ecuacin 22
=
El ritmo de variacin de la corriente en la bobina es una
constante, por lo que la corriente en la misma aumenta linealmente.
Podemos expresar la ecuacin 22 como muestra la ecuacin 23:
=
=
Ecuacin 23 Calculamos
con el interruptor cerrado mediante la ecuacin 24, (
)
=
Ecuacin 24 1.3.3ANLISIS DEL INTERRUPTOR ABIERTOCuando el
interruptor est abierto, la corriente en la bobina no puede variar
instantneamente, por lo que el diodo estar polarizado en directa y
pasara la corriente por la resistencia y el condensador. Cuando se
da esta condicin, la tensin en la bobina es mostrada por la ecuacin
25
=
=
Ecuacin 25
=
El ritmo de variacin de la corriente en la bobina es de nuevo
constante, y la variacin de la corriente es representada por la
ecuacin 26
=
(1 ) =
Ecuacin 26 Resolviendo para tener
obtenemos la ecuacin 27 (
)
=
(1 )
Ecuacin 27 Cuando el circuito funciona en rgimen permanente, la
variacin neta de la corriente en la 14 bobina debe ser nula en un
periodo. Utilizando las ecuaciones24 y 27 obtenemos la ecuacin
28.(
)
+(
)
= 0
+
(1 )
= 0 Ecuacin 28 Resolviendo para obtener
como muestra la ecuacin 29
=
[
1 ] Ecuacin 29 La tensin media en la bobina es cero cuando el
convertidor opera en rgimen permanente, por lo que se plantea
ecuacin 30.
=
+
(1 ) = 0 Al calcular
obtenemos el mismo resultado que el obtenido utilizando la
ecuacin 29, que muestra que la polaridad de la tensin de salida es
opuesta a la de la tensin de la fuente. La magnitud de salida del
convertidor reductor-elevador puede ser menor o mayor que la de la
fuente, en funcin del ciclo de trabajo del interruptor. Si
D>0.5, la salida ser mayor que la entrada, y si D0.5, la salida
ser mayor que la entrada, y si D
