Proyecto ELN Potencia

7/31/2019 Proyecto ELN Potencia

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Elevador Soft ConmutationElectrnica de Potencia

Trabajo Final Electrnica de Potencia

Profesor Eduardo Wiechmann

01/09/2011


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1. Tabla de contenido1. Tabla de contenido .......................................................................................................... 1

2. Introduccin. ................................................................................................................... 2

3. Marco Terico. ................................................................................................................ 3

3.1 Tiristor (SCR) ............................................................................................................ 3

3.2 Convertidores DC/DC ............................................................................................... 3

3.3 Proceso de Conmutacin Suave .............................................................................. 3

4. Diseo Del Elevador Soft Conmutation. .......................................................................... 6

4.1 Clculo del tiempo de encendido ............................................................................ 6

4.2 Clculo de la resistencia de carga RL, Corriente del inductor IL, Corriente de carga

(salida) I0 ............................................................................................................................. 7

4.3 Clculo del inductor L............................................................................................... 7

4.4 Clculo del condensador C ....................................................................................... 7

5. Simulacin Convertidor Elevador Soft Conmutation. ................................................... 10

6. Estudio de parmetros del circuito Convertidor Elevador Soft Conmutation. ............. 10

6.1 La frecuencia de conmutacin disminuye 50% ..................................................... 10

6.2 La frecuencia de conmutacin aumenta 50% ....................................................... 11

6.3 Cambio en la Razn entre los condensadores I. .................................................... 11

6.4 Cambio en la Razn entre los condensadores II. ................................................... 12

6.5 Cambio en el inductor I. ......................................................................................... 136.6 Cambio en el inductor II. ........................................................................................ 13

6.7 Cambio en la Carga I. ............................................................................................. 14

6.8 Cambio en la Carga II. ............................................................................................ 15

6.9 Cambio en la Carga III. ........................................................................................... 15

7. Conclusin. .................................................................................................................... 17

8. Bibliografa. ................................................................................................................... 17

9. Tabla de Ilustraciones.................................................................................................... 18


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2. Introduccin.Los convertidores elevador de conmutacin suave DC-DC se usan para proporcionar un

valor de tensin continuo distinto al de entrada de forma regulada y con el mejor

rendimiento energtico posible.

Este convertidor de conmutacin suave funciona abriendo y cerrando peridicamente un

interruptor electrnico (Tiristores). Se denomina convertidor elevador porque la tensin

de salida es mayor que la de entrada.

La conmutacin suave en convertidores conmutados, pueden ser utilizados

principalmente para moldear el voltaje y la corriente en el interruptor para proporcionar

conmutacin a cero voltaje y a cero corriente, es decir hacer que conmute de manera

suave en el interruptor.


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3. Marco Terico.3.1 Tiristor (SCR)El tiristor es uncomponente electrnicoconstituido por elementossemiconductoresque

utilizarealimentacininterna para producir una conmutacin.

Funciona en condicin de desactivado (bloque) y condicin activado, el tiristor esta en

condicin de bloque cuando existe una pequea corriente de fuga I D llamada corriente de

estado inactivo.

El tiristor est en estado de conduccin (activado) cuando se provoca una corriente

directa en el nodo mayor a la corriente de enganche que es la corriente de nodo

mnima requerida para mantener el tiristor en estado de conduccin inmediatamente

despus de que ha sido activada.

Una vez que el tiristor esta activado se comporta como un diodo en conduccin, si se

reduce la corriente directa del nodo por debajo de la corriente de mantenimiento IH

(corriente de nodo mnima con la que funciona un tiristor), el tiristor estar en estado

desactivado (bloqueo).Un tiristor se puede activar aumentado el voltaje directo de nodo a ctodo ms all de

VB0, pero esta forma de activarlo puede ser destructiva. En la prctica, el voltaje directo se

mantiene por debajo de este valor, y el tiristor se activa mediante la aplicacin de un

voltaje positivo entre la compuerta y el ctodo.

3.2 Convertidores DC/DCSe llamaconvertidor DC-DCa un dispositivo que transformacorriente continuade unatensin a otra. Suelen serreguladores de conmutacin, dando a su salida unatensinreguladay, la mayora de las veces con limitacin de corriente. Se tiende a utilizarfrecuencias de conmutacin cada vez ms elevadas porque permiten reducir la capacidadde loscondensadores, con el consiguiente beneficio de volumen, peso y precio.Ventajas de utilizar convertidores DC-DC: Simplifican la alimentacin de un sistema,

porque permiten generar las tensiones donde se necesitan, reduciendo la cantidad de

lneas de potencia necesarias. Adems permiten un mejor manejo de la potencia, control

de tensiones de entrada, aumento de armnicas y un aumento en la seguridad. Tienen

gran eficiencia.

Inconvenientes: Generanruido, No slo en la alimentacin regulada, sino que a travs desu lnea de entrada se puede propagar al resto del sistema. Tambin se puede propagar

por radiacin. Frecuencias ms altas simplifican el filtrado de este ruido.

3.3 Proceso de Conmutacin SuaveEl circuito elevador soft conmutation es un convertidor dc/dc que presenta un switch

electrnico compuesto por un grupo de 4 tiristores, que son activados por un impulso de

corriente para su funcionamiento . La elevacin de tensin se produce debido al trabajo

de switcheo y la tensin en el condensador, que se conecta en paralelo a la carga, siendo

este de gran capacidad para mantener un nivel de tensin estable y con rizado pequeo.

Adems, est la presencia de otro condensador que conecta ambas piernas de tiristores,
http://es.wikipedia.org/wiki/Componente_electr%C3%B3nicohttp://es.wikipedia.org/wiki/Componente_electr%C3%B3nicohttp://es.wikipedia.org/wiki/Componente_electr%C3%B3nicohttp://es.wikipedia.org/wiki/Semiconductorhttp://es.wikipedia.org/wiki/Semiconductorhttp://es.wikipedia.org/wiki/Semiconductorhttp://es.wikipedia.org/wiki/Realimentaci%C3%B3nhttp://es.wikipedia.org/wiki/Realimentaci%C3%B3nhttp://es.wikipedia.org/wiki/Realimentaci%C3%B3nhttp://es.wikipedia.org/wiki/Realimentaci%C3%B3nhttp://es.wikipedia.org/wiki/Semiconductorhttp://es.wikipedia.org/wiki/Componente_electr%C3%B3nico


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como se aprecia en la figura 2.1. Este condensador tiene como finalidad recargar el

inductor, encargado de entregar la corriente necesaria para mantener el nivel de

elevacion de tension en la salida (Carga V0).

Ilustracin 3.1: Circuito Elevador Soft Conmutation

Se suponen en este anlisis que, el circuito opera en rgimen permanente, que tiene un

periodo de conmutacin T. El switch, se haya cerrado un tiempo DT, y se encuentraabierto un tiempo de (1-D) T. La corriente en la bobina se supone permanente y positiva.

Tambin se trabaja con un valor de tensin de salida constante de valor V0.

El anlisis que se describe a continuacin, muestra cmo funciona el switch electrnico

abierto y cerrado. Aunque, el proceso de switcheo difiere del tradicional, y se dice suave

porque los tiristores tienen un lmite de corriente para la cual estos funcionan,

permitiendo el paso de corriente, y a medida que el inductor se descarga, ocurrir la

conmutacin al llegar al umbral de amperaje. Lo que se traduce finalmente en que el

cambio de estado se produce a corrientes cercanas a cero, llamando conmutacin suave,

pero hay que destacar que existe un momento de conmutacin dura, pues existe un

abrupto cambio de nivel de corriente, que se resuelve con la implementacin de un

circuito LC.

Para el interruptor cerrado (figura 2.2), el diodo se polariza inversamente, lo cual provoca

que el condensador alimenta de manera temporal a la carga pues posee es de gran

capacidad. Para la malla donde est presente el inductor, se observa un proceso de

recarga de corriente del mismo, a travs de la alimentacin VS y el condensador en serie,

de esta manera, cuando ocurra el cambio de estado, el inductor tendr ms corriente con

lo que la variacin de tensin a la salida ser mnima.

Ilustracin 3.2: Circuito Interruptor cerrado. tON


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Cuando opera el otro par de tiristores (figura 2.3), ocurre el proceso de recarga de ambos

condensadores. El diodo queda polarizado directamente, alimentndose la carga y

mantenindose nuevamente el nivel elevado de tensin conseguido con el condensador

C0 paralelo a la carga. De esta manera, se trabaja cclicamente en este proceso, el cual

presenta escasas prdidas debido a la alta frecuencia en la que se opera

Ilustracin 3.3: Circuito Interruptor abierto. tOFF.


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4. Diseo Del Elevador Soft Conmutation.Se presenta el siguiente diseo, para el convertidor elevador Soft Conmutation, donde se

obtendrn los parmetros del circuito a implementar.

Ilustracin 4.1: Convertidor elevador Soft Conmutation

Diseo de un convertidor Soft Conmutation, para los siguientes parmetros:

][50 VVs ; ][200 VVo ; ][1 kWPo ; %1

o

o

V

V; %8

LI ;

][20 kHzFS ; ][20 mAIh ; ][10 stq ;

4.1

Clculo del tiempo de encendido

Sea tiempo de encendido tON: 0


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4.2 Clculo de la resistencia de carga RL, Corriente del inductor IL,Corriente de carga (salida) I0

][2050

][1A

kW

V

PI

s

o

L ; ][5200

1A

k

V

PI

o

o

o

][405

122

k

I

PR

o

o

L

4.3 Clculo del inductor LLa corriente en el inductor es IL=20 [A]

%42

LI ; %8

LI ; ][6,1%820%8 AII LL

Ilustracin 4.2: Variacin de la corriente por el Inductor.

La expresin para el inductor es:

dt

diLV LL ; Para :ONt sL VV

Ilustracin 4.3: Voltaje de la fuente, voltaje del Inductor.

][17,16,1

5,3750mH

s

I

tVL

L

ONS

4.4 Clculo del condensador CEl voltaje de salida es V0=200 [V]


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dt

dVCi CC ;

C

CV

DTiC

; LC ii

][2%1200%1 VVV oo

Ilustracin 4.4: Variacin del Voltaje de salida.

ooC VVV 2

Ilustracin 4.5: Voltaje de salida V0.

2002

5,3720

s

V

t

iCC

ON

C

][875,1 FC

Para asegurar Soft Conmutation, la corriente por los tiristores (SCR) debe llegar a ser

inferior a la corriente de holding (Por lo menos 1000 veces).

mAI

I

h

L

20

20

CCC

Co 10001000

0

Condicin de justificacin del condensador:

1000

1

oC

C


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Para :ont

][55,37

20001,0AC

t

VCii o

ON

o

ooCo

][75,93 FCo Luego dividiendo C por C0 se obtiene:

31020

75,93

875,1

oC

C

Luego amplificamos C0 para tener un valor ms comercial

][2000][75,9321 FFCo


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5. Simulacin Convertidor Elevador Soft Conmutation.Se procedio a simular, la corriente en Inductor IL, Voltaje Voltaje Condensador VC, Voltaje

en Tiristores VT, Corriente en Tiristores IT y voltaje de salida en la carga V0.

Ilustracin 5.1: Simulacin Convertidor Elevador Soft Conmutation.

6. Estudio de parmetros del circuito Convertidor Elevador SoftConmutation.

Se estudia cada uno de los parmetros, variando estos con respecto a los originales en un

determinado valor (parametros originales, el modelo desarrollado en el punto 3 del

informe).

6.1 La frecuencia de conmutacin disminuye 50%Quedando en 10 [KHz].



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La corriente en el inductor disminuye en un 51.57 % con respecto a la original (21[A]).

El voltaje del condensador VC y voltaje en los tiristores se mantiene en la amplitudoriginal.

El perodo de simulacin de todos parmetros, aumenta al doble con respecto aloriginal.

La corriente en los tiristores disminuye un 50%. El voltaje de salida disminuye aproximadamente un 15%.

6.2 La frecuencia de conmutacin aumenta 50%Quedando en 30 [KHz].


La corriente en el inductor aument en un 66,66%, con respecto a la original (21[A]).


El perodo de simulacin de todos parmetros, disminuye 50% con respecto aloriginal.

La corriente en los tiristores aumento un 40%. El voltaje de salida aument aproximadamente un 15%.

Qu pasa, si la razn entre los condensadores no es 1000 (Co/C)?

6.3 Cambio en la Razn entre los condensadores I.Se mantuvo el valor de C0 en 2000 [ F] y se bajo C=0.9375 [ F], en un 50%.


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La corriente en el inductor disminuye en un 48,43%, con respecto a la original (21[A]).


El perodo de simulacin de todos parmetros, es el mismo con respecto aloriginal.

La corriente en los tiristores disminuye un 50%. El voltaje de salida disminuye aproximadamente un 14.16%.

6.4 Cambio en la Razn entre los condensadores II.Se mantuvo el valor de C0 en 2000 [ F] y se aumento C=2.8125 [ F], en un 50%.


La corriente en el inductor aumenta en un 66,66%, con respecto a la original (21[A]).


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La corriente en los tiristores aumenta un 40%. El voltaje de salida aumenta aproximadamente un 14.16%.

Qu pasa, si se vara el valor de inductor?

6.5 Cambio en el inductor I.Se disminuye el valor del Inductor en un 50% (L=0.585 [mH]), con respecto al original.


La corriente en el inductor aumenta en un 1%, con respecto a la original (21 [A]). El voltaje del condensador VC y voltaje en los tiristores se mantiene en la amplitud

original.


La corriente en los tiristores se mantiene. El voltaje de salida se mantiene.

6.6 Cambio en el inductor II.Se aumenta el valor del Inductor en un 50% (L=1.755 [mH]), con respecto al original.


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La corriente en el inductor disminuye en un 1%, con respecto a la original (21[A]).

El voltaje del condensador VC y voltaje en los tiristores se mantiene en laamplitud original.


La corriente en los tiristores se mantiene. El voltaje de salida es el mismo.

Qu pasa, si se vara el valor de la carga?

6.7 Cambio en la Carga I.Se aumenta el valor de la carga en un 50% (R=60 [ohm]), con respecto al original (R=40

[ohm]).


La corriente en el inductor aumento en un 4,7%, con respecto a la original (21 [A]).


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La corriente en los tiristores aumenta en un 12%. El voltaje de salida aumenta en un 10%, con respecto al original (200 [V]).

6.8 Cambio en la Carga II.Se aumenta el valor de la carga en un 100% (R=80 [ohm]), con respecto al original (R=40

[ohm]).


La corriente en el inductor aumento en un 14,28%, con respecto a la original (21[A]).



La corriente en los tiristores aumenta en un 20%. El voltaje de salida aumenta en un 16%, con respecto al original (200 [V]).

6.9 Cambio en la Carga III.Se disminuye el valor de la carga en un 50% (R=20 [ohm]), con respecto al original (R=40

[ohm]).


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La corriente en el inductor disminuye en un 17,43%, con respecto a la original (21[A]).



La corriente en los tiristores disminuye en un 4,74%. El voltaje de salida disminuye en un 25%, con respecto al original (200 [V]).


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7. Conclusin.El uso de tiristores en la implementacin de interruptores electrnicos reduce las perdidas

y a su vez aumenta la eficiencia en el proceso de conmutacin. Para la implementacin de

un elevador Soft Conmutation, es posible aplicar una configuracin de dos pares de

tiristores.La variacin de los parmetros permite obtener una visualizacin ptima para el diseo

del convertido elevados Soft Conmutation, segn las necesidades de carga requeridas por

el sistema. Dentro de las variaciones probadas se observo que una de las ms relevantes

es la frecuencia de conmutacin puesto que est directamente relacionado con la tensin

de salida y tambin con la corriente del inductor.

El uso del elevador Soft Conmutation, se aplica en la elaboracin de material blico tales

como misiles nucleares, submarinos y en los bancos de bateras, puesto que se requiere

reducir los espacios fsicos en los distintos equipos y al mismo tiempo tener un alto nivel

de tensin con una electrnica ms reducida.

8. Bibliografa.[1]: Electrnica de Potencia, Daniel W. Hart.[2]: Introduction to Modern Power Electronics, Andrzej M. Trzynadlowski.[3]: Power Electronics Handbook, Muhammad H. Rashid.[4]: Apuntes de Clases, Electrnica de Potencia, Eduardo Wiechmann.


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9. Tabla de IlustracionesIlustracin 3.1: Circuito Elevador Soft Conmutation .............................................................. 4

Ilustracin 3.2: Circuito Interruptor cerrado. tON ................................................................. 4

Ilustracin 3.3: Circuito Interruptor abierto. tOFF. ................................................................ 5

Ilustracin 4.1: Convertidor elevador Soft Conmutation ....................................................... 6Ilustracin 4.2: Variacin de la corriente por el Inductor. ..................................................... 7

Ilustracin 4.3: Voltaje de la fuente, voltaje del Inductor. ..................................................... 7

Ilustracin 4.4: Variacin del Voltaje de salida. ..................................................................... 8

Ilustracin 4.5: Voltaje de salida V0. ...................................................................................... 8

Ilustracin 5.1: Simulacin Convertidor Elevador Soft Conmutation. ................................. 10










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