Convertidor Dcdc.docx
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UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER
ESCUELA DE INGENIERÍAS ELÉCTRICA, ELECTRÓNICA Y DE TELECOMUNICACIONES
Perfecta Combinación entre Energía e Intelecto
Laboratorio Electrónica de Potencia CONVERSORES DC-DC = TROCEADORES Juan Manuel Villamil Padilla 2134051, Jessica Juliana Camargo 2142853, Universidad Industrial de Santander. Bucaramanga, Colombia Docente: Nelfor Castelblanco Abril 31 de 2019. • Determinar los rangos de operación de la constante k en el conversor elevador-reductor. INTRODUCCIÓN
I.
En muchas aplicaciones industriales es necesario convertir el voltaje fijo de una fuente DC en un voltaje variable de suministro de DC. Los convertidores de DC-DC pueden ser usados como reguladores de modo de conmutación, para convertir un voltaje de DC, normalmente no regulado, en un voltaje de salida regulado de DC. La regulación se suele obtener con PWM (modulación de ancho de pulso) a determinada frecuencia, y el dispositivo de conmutación es, en el caso normal, un BJT, MOSFET o IGBT. Un regulador consta de un interruptor conectado en serie con la carga, que se cierra y se abre con una cierta cadencia; esta carga normalmente es inductiva, además suele montarse en serie con ella una inductancia de filtro para aislar la intensidad.
II. •
•
OBJETIVOS
III.
MARCO TEÓRICO
Convertidor elevador Boost El convertidor Boost, es un tipo de convertidor conmutado DCDC también conocido por el nombre de convertidor elevador (Step-Up) o chopper paralelo, es un convertidor DC a DC que obtiene a su salida una tensión continua mayor que a su entrada, pero la corriente de salida es menor que la de entrada. Es un tipo de fuente de alimentación conmutada que contiene al menos dos interruptores semiconductores (diodo y transistor), y al menos un elemento para almacenar energía (condensador, bobina o combinación de ambos). Frecuentemente se añaden filtros construidos con inductores y condensadores para mejorar el rendimiento.
Identificar el tipo de funcionamiento de un conversor DC/DC mediante el programa de simulación orcad. Verificar la relación entre la tensión de salida y la tensión de entrada en los circuitos propuestos. UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER Escuela de Ingenierías Eléctrica, Electrónica y Telecomunicaciones - E³T “Perfecta combinación entre energía e intelecto
”
UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER
ESCUELA DE INGENIERÍAS ELÉCTRICA, ELECTRÓNICA Y DE TELECOMUNICACIONES
Perfecta Combinación entre Energía e Intelecto
Convertidor reductor (Buck) El convertidor Buck (o reductor) es un convertidor de potencia, DC/DC sin aislamiento galvánico, que obtiene a su salida un voltaje continuo menor que a su entrada. También es una fuente conmutada con dos dispositivos semiconductores (transistor S y diodo D), un inductor L y opcionalmente un condensador C a la salida. La forma más simple de reducir una tensión continua (DC) es usar un circuito divisor de tensión, pero los divisores gastan mucha energía en forma calor. Por otra parte, un convertidor Buck puede tener una alta eficiencia (superior al 95% con circuitos integrados) y autorregulación.
Un posible inconveniente de este convertidor es que el interruptor no tiene un terminal conectado a tierra; esto complica el circuito. Además, la polaridad del voltaje de salida es opuesta al voltaje de entrada. Ninguno de los anteriores inconvenientes tiene consecuencias si la fuente de suministro está aislada del circuito de carga. IV.
ACTIVIDADES LABORATORIO
Inicialmente se realizaron las simulaciones propuestas en la guía de laboratorio, las cuales corresponden a conversores DC-DC reductor, elevador, reductor elevador, y se realizaron las siguientes pruebas: Prueba 1. Reductor Buck Para este circuito se redujo la tensión de continua de entrada de 25 V a ¾, ½ y ¼ de la misma, empleando un valor de k (ciclo de trabajo) que permite la disminución de la tensión.
Convertidor reductor elevador (Buck-Boost)
El funcionamiento básico En un regulador reductor consta de un voltaje promedio de salida Vo, menor que el voltaje de entrada Vs, de ahí la palabra “reductor”. El interruptor conmuta a una frecuencia de conmutación f=1/T. Se distingue dos modos de operación según si la corriente por el inductor L se anula durante el periodo de operación T o si por el contrario se mantiene a un valor de corriente IL(MIN ).
Figura 1. Circuito Conversor DC-DC Reductor. Donde se tiene: Un ciclo de trabajo D = K, de 0.75, obtenido a partir de la expresión: (1) Aplicando una tensión de entrada de 25 V se deberían obtener 18.75 V, a partir de:
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Eléctrica, Electrónica y Telecomunicaciones - E³T “Perfecta combinación entre energía e intelecto
”
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Perfecta Combinación entre Energía e Intelecto
(2) Los resultados de la simulación coincidieron aproximadamente con lo esperado, tal como se evidencia en la figura 2, donde se registra una tensión de salida de 18,107 V.
Figura 3. Tensión de salida con K=0.5
Figura 2. Tensión de salida con K=0.75 Se varió el valor de k para lograr reducir la tensión, los valores obtenidos se registraron en la siguiente tabla y sus respectivas gráficas: % Vsal K Vsal experimental error Teórica [V] [V] 0.75
18,75
18.107
3.42%
Figura 4. Tensión de salida con K= 0.25.
0.5
12,5
11.516
7.87%
0.25
6,25
5.2227
16.43%
Prueba 2. - Elevador Boost Para el circuito elevador se busca incrementar la tensión de entrada de 5 V a 8 V, 10 V y 15 V.
Tabla 1. reductor Buck tensión salida y entrada (%error) UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER Escuela de Ingenierías
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”
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Perfecta Combinación entre Energía e Intelecto
K
Figura 5. Circuito Conversor DC-DC Elevador Donde se cuenta con ciclo de trabajo de 0,7, obtenido a partir de la expresión (1).
Vsalida teórica [V]
Vsalida experimental [V]
%error
0,375
8
6.8
15%
0,5
10
8.8090
11%
0,66
15
13.057
1.95%
Tabla 2. Elevador Boost tensión salida y entrada(%error)
Aplicando una tensión de entrada de 5 V se espera obtener 8 V, a partir de: (3) Los resultados de la simulación son un poco alejados de los deseados, tal como se evidencia en la figura 6, donde se registra una tensión de salida de 6.8029V.
Figura 7. Tensión de salida con K= 0.5
Figura 6. Tensión de salida con v=8. Los valores obtenidos se registraron en la sucesiva tabla y sus respectivas gráficas:
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Perfecta Combinación entre Energía e Intelecto
Los datos obtenidos se presentan a continuación: % K Vsal Vsal error experimental teórica [V] [V] 0.3
5.1423
4.22
17%
0.5
12
10.81
10%
0.7
28
25.85
7.67
Tabla 3. Elevador-reductor tensión salida y entrada (%error) Luego para un k = 0,3 se obtuvo una tensión de salida menor a la de entrada (reductor Buck). Para un k = 0,7, la tensión de salida fue mayor a la de entrada (elevador Boost). Y por último, para una tensión de 0.5, la tensión de salida es igual a la de entrada. Estos resultados se pueden evidenciar en las imágenes siguientes:
Figura 8. Tensión de salida con K= 0.66. Prueba 3. - Elevador – Reductor En este caso se tiene que variar el ciclo de trabajo para observar que tensión ofrece a la salida a partir de la fuente de 12 V, y a partir de esto se determinó para que valores de k el conversor se comporta como un reductor o elevador. Se ejecutó la simulación para un ciclo de trabajo de 0.3, 0.5 y 0.7.
Figura 10. Tensión de salida con K= 0.3.
Figura 9. Pruebas efectuadas para la identificación del funcionamiento del conversor. UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER Escuela de Ingenierías
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•
Se encontró un error significativo en los convertidores reductores y en el elevador reductor, estos llegando a valores cercanos al 20%.
VI.
• • Figura 11. Tensión de salida con K= 0.5.
•
REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS
Hart, Daniel W. “Electrónica de potencia”. Primera edición. MOHAN, NED et. al. (2003). Power Elctronics. Hoboken: John Wiley & Sons, Inc. ISBN 0-471-42908- 2. Rashid, Muhammad. “Electrónica de potencia, circuitos, dispositivos y aplicaciones”. Segunda edición.
Figura 12. Tensión de salida con K= 0.7.
V. •
CONCLUIONES
Las simulaciones muestran un comportamiento dinámico similar de las variables de estado del convertidor, a pesar de la naturaleza no lineal del sistema y de que se cuenta con un control simple en lazo abierto. UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER
Escuela de Ingenierías
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Perfecta Combinación entre Energía e Intelecto
Laboratorio Electrónica de Potencia CONVERSORES DC-DC = TROCEADORES Juan Manuel Villamil Padilla 2134051, Jessica Juliana Camargo 2142853, Universidad Industrial de Santander. Bucaramanga, Colombia Docente: Nelfor Castelblanco Abril 31 de 2019. • Determinar los rangos de operación de la constante k en el conversor elevador-reductor. INTRODUCCIÓN
I.
En muchas aplicaciones industriales es necesario convertir el voltaje fijo de una fuente DC en un voltaje variable de suministro de DC. Los convertidores de DC-DC pueden ser usados como reguladores de modo de conmutación, para convertir un voltaje de DC, normalmente no regulado, en un voltaje de salida regulado de DC. La regulación se suele obtener con PWM (modulación de ancho de pulso) a determinada frecuencia, y el dispositivo de conmutación es, en el caso normal, un BJT, MOSFET o IGBT. Un regulador consta de un interruptor conectado en serie con la carga, que se cierra y se abre con una cierta cadencia; esta carga normalmente es inductiva, además suele montarse en serie con ella una inductancia de filtro para aislar la intensidad.
II. •
•
OBJETIVOS
III.
MARCO TEÓRICO
Convertidor elevador Boost El convertidor Boost, es un tipo de convertidor conmutado DCDC también conocido por el nombre de convertidor elevador (Step-Up) o chopper paralelo, es un convertidor DC a DC que obtiene a su salida una tensión continua mayor que a su entrada, pero la corriente de salida es menor que la de entrada. Es un tipo de fuente de alimentación conmutada que contiene al menos dos interruptores semiconductores (diodo y transistor), y al menos un elemento para almacenar energía (condensador, bobina o combinación de ambos). Frecuentemente se añaden filtros construidos con inductores y condensadores para mejorar el rendimiento.
Identificar el tipo de funcionamiento de un conversor DC/DC mediante el programa de simulación orcad. Verificar la relación entre la tensión de salida y la tensión de entrada en los circuitos propuestos. UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER Escuela de Ingenierías Eléctrica, Electrónica y Telecomunicaciones - E³T “Perfecta combinación entre energía e intelecto
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Convertidor reductor (Buck) El convertidor Buck (o reductor) es un convertidor de potencia, DC/DC sin aislamiento galvánico, que obtiene a su salida un voltaje continuo menor que a su entrada. También es una fuente conmutada con dos dispositivos semiconductores (transistor S y diodo D), un inductor L y opcionalmente un condensador C a la salida. La forma más simple de reducir una tensión continua (DC) es usar un circuito divisor de tensión, pero los divisores gastan mucha energía en forma calor. Por otra parte, un convertidor Buck puede tener una alta eficiencia (superior al 95% con circuitos integrados) y autorregulación.
Un posible inconveniente de este convertidor es que el interruptor no tiene un terminal conectado a tierra; esto complica el circuito. Además, la polaridad del voltaje de salida es opuesta al voltaje de entrada. Ninguno de los anteriores inconvenientes tiene consecuencias si la fuente de suministro está aislada del circuito de carga. IV.
ACTIVIDADES LABORATORIO
Inicialmente se realizaron las simulaciones propuestas en la guía de laboratorio, las cuales corresponden a conversores DC-DC reductor, elevador, reductor elevador, y se realizaron las siguientes pruebas: Prueba 1. Reductor Buck Para este circuito se redujo la tensión de continua de entrada de 25 V a ¾, ½ y ¼ de la misma, empleando un valor de k (ciclo de trabajo) que permite la disminución de la tensión.
Convertidor reductor elevador (Buck-Boost)
El funcionamiento básico En un regulador reductor consta de un voltaje promedio de salida Vo, menor que el voltaje de entrada Vs, de ahí la palabra “reductor”. El interruptor conmuta a una frecuencia de conmutación f=1/T. Se distingue dos modos de operación según si la corriente por el inductor L se anula durante el periodo de operación T o si por el contrario se mantiene a un valor de corriente IL(MIN ).
Figura 1. Circuito Conversor DC-DC Reductor. Donde se tiene: Un ciclo de trabajo D = K, de 0.75, obtenido a partir de la expresión: (1) Aplicando una tensión de entrada de 25 V se deberían obtener 18.75 V, a partir de:
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(2) Los resultados de la simulación coincidieron aproximadamente con lo esperado, tal como se evidencia en la figura 2, donde se registra una tensión de salida de 18,107 V.
Figura 3. Tensión de salida con K=0.5
Figura 2. Tensión de salida con K=0.75 Se varió el valor de k para lograr reducir la tensión, los valores obtenidos se registraron en la siguiente tabla y sus respectivas gráficas: % Vsal K Vsal experimental error Teórica [V] [V] 0.75
18,75
18.107
3.42%
Figura 4. Tensión de salida con K= 0.25.
0.5
12,5
11.516
7.87%
0.25
6,25
5.2227
16.43%
Prueba 2. - Elevador Boost Para el circuito elevador se busca incrementar la tensión de entrada de 5 V a 8 V, 10 V y 15 V.
Tabla 1. reductor Buck tensión salida y entrada (%error) UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER Escuela de Ingenierías
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Figura 5. Circuito Conversor DC-DC Elevador Donde se cuenta con ciclo de trabajo de 0,7, obtenido a partir de la expresión (1).
Vsalida teórica [V]
Vsalida experimental [V]
%error
0,375
8
6.8
15%
0,5
10
8.8090
11%
0,66
15
13.057
1.95%
Tabla 2. Elevador Boost tensión salida y entrada(%error)
Aplicando una tensión de entrada de 5 V se espera obtener 8 V, a partir de: (3) Los resultados de la simulación son un poco alejados de los deseados, tal como se evidencia en la figura 6, donde se registra una tensión de salida de 6.8029V.
Figura 7. Tensión de salida con K= 0.5
Figura 6. Tensión de salida con v=8. Los valores obtenidos se registraron en la sucesiva tabla y sus respectivas gráficas:
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Los datos obtenidos se presentan a continuación: % K Vsal Vsal error experimental teórica [V] [V] 0.3
5.1423
4.22
17%
0.5
12
10.81
10%
0.7
28
25.85
7.67
Tabla 3. Elevador-reductor tensión salida y entrada (%error) Luego para un k = 0,3 se obtuvo una tensión de salida menor a la de entrada (reductor Buck). Para un k = 0,7, la tensión de salida fue mayor a la de entrada (elevador Boost). Y por último, para una tensión de 0.5, la tensión de salida es igual a la de entrada. Estos resultados se pueden evidenciar en las imágenes siguientes:
Figura 8. Tensión de salida con K= 0.66. Prueba 3. - Elevador – Reductor En este caso se tiene que variar el ciclo de trabajo para observar que tensión ofrece a la salida a partir de la fuente de 12 V, y a partir de esto se determinó para que valores de k el conversor se comporta como un reductor o elevador. Se ejecutó la simulación para un ciclo de trabajo de 0.3, 0.5 y 0.7.
Figura 10. Tensión de salida con K= 0.3.
Figura 9. Pruebas efectuadas para la identificación del funcionamiento del conversor. UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER Escuela de Ingenierías
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Se encontró un error significativo en los convertidores reductores y en el elevador reductor, estos llegando a valores cercanos al 20%.
VI.
• • Figura 11. Tensión de salida con K= 0.5.
•
REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS
Hart, Daniel W. “Electrónica de potencia”. Primera edición. MOHAN, NED et. al. (2003). Power Elctronics. Hoboken: John Wiley & Sons, Inc. ISBN 0-471-42908- 2. Rashid, Muhammad. “Electrónica de potencia, circuitos, dispositivos y aplicaciones”. Segunda edición.
Figura 12. Tensión de salida con K= 0.7.
V. •
CONCLUIONES
Las simulaciones muestran un comportamiento dinámico similar de las variables de estado del convertidor, a pesar de la naturaleza no lineal del sistema y de que se cuenta con un control simple en lazo abierto. UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER
Escuela de Ingenierías
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