ENTORNO VIRTUAL APLICADO A LA REGULACIÓN ANALÓGICA Y DIGITAL DE UN CONVERTIDOR REDUCTOR EN LAS PRÁCTICAS DE ELECTRÓNICA INDUSTRIAL

Transcripción

1 ENTONO VITUA APICADO A A EGUACIÓN ANAÓGICA Y DIGITA DE UN CONVETIDO EDUCTO EN AS PÁCTICAS DE EECTÓNICA INDUSTIA F. Javer Díaz, Francsco J. Azcondo, Chrstan Brañas, osaro Casanueva Departamento TEISA. Escuela Técnca Superor de Ingenería Industral y Telecomuncacón. Unversdad de Cantabra, Av. De los Castros s/n 395 Santander, Cantabra. España. En el presente trabajo, se descrbe la metodología empleada para facltar la consecucón de los objetvos de las práctcas en la asgnatura Electrónca Industral para los planes de estudo de Ingenería Industral, e Ingenería Técnca Industral especaldad Electrónca Industral, adaptándonos a los medos dsponbles en el laboratoro. En este sentdo, se ha realzado una herramenta con abview, que permte dotar a los equpos de mayor utldad. Concretamente, se expone el caso práctco de un convertdor reductor empleado para regular el flujo lumnoso en un ED. Palabras clave: Convertdor reductor, EDs, control dgtal, control analógco, mcrocontrolador. 1. Introduccón En las práctcas de laboratoro de la asgnatura de electrónca ndustral, se plantea como objetvo que los alumnos sean capaces de resolver pequeños dseños a partr de unas especfcacones dadas, con el propósto de no caer en práctcas demostracón. Este planteamento lmta la complejdad de los sstemas que manejan, pero permte abordar con clardad los problemas de conmutacón y mando de semconductores de potenca, así como el dseño de componentes magnétcos. A fn de completar las práctcas con una aplcacón mas fnalsta se ha desarrollado un sstema flexble que ntegra la nstrumentacón del laboratoro bajo el entorno labview con el fn de analzar un convertdor reductor. El crcuto que genera las señales de mando, se realza de dos formas dferentes, con la dea de que el alumno sea capaz de dferencar y aprender a desarrollar un control dgtal y otro analógco: por un lado se realza un lazo de control basado en un controlador PWM UC354, mentras que por otro lado se utlza un crcuto de control dgtal mplementado en un PIC18f. a utlzacón de un ED de potenca como carga, permte hacer una práctca más vstosa para el alumno, y ayuda a una mejor comprensón del resultad fnal del lazo de control.. Dseño del convertdor reductor Como crcuto de pruebas se utlza un convertdor reductor, como el que se muestra en la Fgura 1, que trabaja en conduccón contnua [1] []. os alumnos deben dseñar el crcuto para que trabaje a una frecuenca de conmutacón f, con un cclo de trabajo D. Bajo estas condcones de funconamento, el convertdor es almentado por una fuente de tensón de entrada V g, proporconando una tensón de salda v, una corrente o y una potenca P o.

2 a ecuacón que defne el funconamento del convertdor reductor en modo de conduccón contnua es V = D V g (1) Se dseña el fltro paso bajo C, para lmtar el rzado de la corrente por la nductanca a Δ, y el rzado de la tensón de salda a Δv, como se muestra en la Fgura. El valor de la nductanca y del condensador C, se calculan respectvamente, como V V g = DT, y () Δ q T Δ C = = Δv 8 Δ v, (3) donde T es el perodo de conmutacón, T = 1/f. a realzacón práctca de es manual, como se muestra en la Fgura 3. El alumno calcula los parámetros característcos de la bobna (número de arrollamentos, entreherro y seccón del cobre), para cumplr un margen de perddas en el cobre ΔP cu. Una vez se obtene el dseño, la bobna se realza sobre un núcleo ETD34 con materal magnétco F44. A contnuacón, se realza el montaje del convertdor y se comprueba que cumple con las especfcacones solctadas en la práctca. Incalmente, el convertdor trabaja sn control con un cclo de trabajo D. Para generar las señales de mando de los nterruptores, se utlza un crcuto PWM UC354, con una estructura smlar a la que se muestra en la Fgura 4. Posterormente, ese convertdor reductor se utlza para realzar meddas sobre el nterruptor S (MOSFET) y el dodo D 1, de forma que los alumnos puedan caracterzar su funconamento, y comparar los resultados obtendos con los datos proporconados por el fabrcante de los msmos. Sobre este msmo crcuto, se comprueba el efecto de añadr snubbers. g V g S D1 C C o v D Fgura 1. Convertdor reductor (Buck)

3 v V g v C v t Δ q T t I max v I mn I o Δ V Δv DT T t a) b) Fgura. Formas de onda en el convertdor reductor. a) Tensón e ntensdad en la nductanca, b) tensón e ntensdad por el condensador C. t Fgura 3. ealzacón práctca de la nductanca con una bobnadora manual. 3. egulacón del convertdor reductor El convertdor servrá como fuente de almentacón de un ED UXEON K de PHIIPS, de forma que su flujo lumnoso se regula controlando la corrente que lo atravesa. os alumnos deben dseñar el regulador adecuado para controlar la corrente de salda, o. Consderando un convertdor reductor como el que se muestra en la Fgura 1, y asumendo que el rzado de la tensón V es desprecable, la ecuacón del modelo promedo de la ntensdad por la carga es, d Vg v T d T = (4) dt donde el valor medo de la ntensdad por la nductanca, <> T, es la varable a controlar en el lazo de corrente. El modelo equvalente en pequeña señal vene determnado por δ d Vg δ v = δ (5) s

4 a ecuacón (5) analza los efectos que provoca una perturbacón del cclo de trabajo, δ d, o de la tensón de salda del convertdor, δ v, sobre la corrente por la nductanca, δ. a funcón de transferenca del sstema a controlar, G d, se obtene ntroducendo la ecuacón () en (5), dando (7) [3][4]. a representacón gráfca de la gananca y fase de G d para los extremos de máxma y mínma carga del caso práctco, se han representado en la Fgura 5. δv lamp = δ 1 sc () G d ( s) δ Vg 1 sc = = δ d 1 s s C (7) g S C o V g D1 C v D s g D V MC V 7 8 N V 15V kω,1µf T CT 1 UC kω 1,5 kω Fgura 4. Crcuto empleado para trabajar en lazo aberto.

5 15 Bode Dagram 1 Magntude (db) Phase (deg) Frequency (Hz) Fgura 5. Dagrama de bode estmado de la funcón de transferenca G d (s). Arrba se representa la gananca en db, y abajo la fase. os casos de máxma y mínma potenca se han representado en verde y azul, respectvamente. El sstema a controlar se ha representado en la Fgura, donde H 1 es la gananca del sensor de corrente, y G c es la funcón de transferenca del regulador a dseñar por el alumno. A lo lago del curso, el estudante aprende a realzar el regulador G c medante control analógco, para lo que se utlza un esquema como el de la Fgura 7. Sobre el msmo crcuto con el que han vendo trabajando hasta el momento, basado en el crcuto UC354, se añade una resstenca de sensado s, para tomar la muestra de la corrente por el ED. Esta medda se compara con la ntensdad de referenca empleada en el lazo de corrente, ref. Para realzar el regulador G c, se utlza el comparador nterno del crcuto UC354, de forma que ante un error en la medda de la corrente se producrá una varacón en el cclo de trabajo D. a señal de control del MOSFET IF53, que se genera desde el UC354, debe de ser aslada, debdo a que la fuente del MOSFET no utlza la msma referenca que la almentacón V g ; con este propósto se utlza un optoacoplador N137. Como drver de almentacón del nterruptor se ha empleado el crcuto MC34151, y como dodo D 1 un 31DQ9. ref e d G c G d * H 1 Fgura. azo de corrente de salda del convertdor reductor.

6 g S C o V g D1 C D s 5V g D 15V V MC V 7 8 N egulador M ,1µF T CT 1 UC ref Fgura 7. Esquema del convertdor reductor con el lazo de corrente realzado de forma analógca. Para dseñar el regulador, en este caso un regulador tpo III, se utlza Matlab y su herramenta de dseño SISOtool. En la Fgura 8 se ha representado la gananca y fase del regulador empleado en el caso práctco. En la Fgura 9, se muestran la fase y gananca del sstema en lazo cerrado, con el regulador G c (s), para los casos de máxma y mínma potenca. Bode Dagram Magntude (db) Phase (deg) Frequency (Hz) Fgura 8. Dagrama de bode del regulador tpo III G c (s). Arrba se representa la gananca en db, y abajo la fase.

7 5 Bode Dagram Magntude (db) Phase (deg) Frequency (Hz) Fgura 9. Dagrama de bode del sstema a controlar en lazo cerrado. Arrba se representa la gananca en db, y abajo la fase. os casos de máxma y mínma potenca se han representado en verde y azul, respectvamente. En una segunda parte, el alumno mplementa el lazo de control de forma dgtal, para lo que se utlza un PIC18f. En este caso, el crcuto empleado se muestra en el esquema de la Fgura 1. g S C o V g D1 C v D s g D V MC V 7 8 N V 3 M PIC18f Fgura 1. Esquema del convertdor reductor con el lazo de corrente realzado de forma dgtal. Para el dseño del regulador dscreto, se emplea la herramenta SISOtool de Matlab. a dscretzacón de la funcón de transferenca del sstema a controlar, G d (s), se realza medante el comando de Matlab, cd(gd,tm,'zoh') obtenendo G d (z), donde T m es el perodo de muestreo, que en el

8 caso práctco es de 1 µseg. En la Fgura 11 se muestran los dagramas de bode de G d (s) y G d (z) para los casos de máxma y mínma potenca. A partr de G d (z) se dseña el regulador dscreto, G c (z), que para el caso práctco es la ecuacón (9), de la que se obtene la expresón con la que se mplementa el regulador en el mcrocontrolador, como dnt [ ] = d[( n 1) T],5 [ nt [ ] ], (8) m m m ref z Gc( z) =,5 z 1 T m. (9) 15 Bode Dagram 1 Magntude (db) Phase (deg) Frequency (Hz) Fgura 11. Dagramas de bode de la funcón de transferenca G d (s), en línea contnua, y de G d (z), en línea dscontnua. Arrba se representa la gananca en db, y abajo la fase. os casos de máxma y mínma potenca se han representado en verde y azul, respectvamente. 4. aboratoro Cada puesto de trabajo del laboratoro dspone de un oscloscopo dgtal TDS1, una fuente de almentacón programable PS5, un multímetro dgtal y un ordenador. Se ha dseñado un entorno vrtual del laboratoro medante abview, bajo el estándar IEEE488, de forma que el alumno pueda acceder al control de los equpos desde el ordenador, y de esta forma realzar las meddas necesaras [5][][7]. Este sstema faclta la obtencón de resultados y mejora la presentacón de resultados fnales [8]. En la Fgura 1 se muestra el panel frontal que se encuentran los alumnos en el ordenador, desde el que pueden controlar los equpos y capturar señales. Además, la realzacón de este panel de control, permte dotar a los oscloscopos de mayor utldad, de forma que se puedan realzar operacones con las señales de los dos canales, y poder analzar sus componentes armóncas. En la Fgura 13 se muestra el puesto de trabajo.

9 Fgura 1. Panel frontal del laboratoro vrtual. Fgura 13. Puesto de laboratoro de electrónca ndustral 5. Conclusones El planteamento de una práctca como la que se presenta en este artículo, permte al alumno abordar problemas que surgen en un convertdor real; como pueden ser sobretensones y pérddas que se producen en los nterruptores o nestabldades que surgen al realzar el lazo de control. De esta forma, el alumno debe reacconar para evtarlos y mejorar el comportamento del convertdor. En este sentdo, utlzar un crcuto base sobre el que realzar las meddas, en este caso un convertdor reductor, ayuda a tener una mejor compresón de los contendos teórcos, y permte abordar un dseño semejante al que van a encontrarse en el mundo laboral. A pesar de utlzar componentes reales, no se abandona la utlzacón de herramentas de smulacón, como PSpce o Matlab, que facltan el dseño del convertdor. De esta forma, el alumno aborda todos los pasos a segur para la realzacón de un crcuto: dseño, smulacón e mplementacón. Además, gracas a la nterfaz gráfca orentada a objeto empleada, se smplfca el manejo de los equpos de control y medda, potencando los contendos de la clase de práctcas de laboratoro.

10 eferencas [1]. W. Erckson, D. Maksmovc. Fundamentals of Power Electroncs. nd Edton. Kluwer Academc Publsher. 4. [] A. Barrado, A. ázaro. Problemas de Electrónca de Potenca. Pearson Prentce Hall. 7 [3] F. J. Díaz, F. J. Azcondo,. Casanueva, C. Brañas,. Zane. Dgtal control of a owfrequency SquareWave electronc ballast wth resonant gnton. IEEE Transactons on Industral Electroncs, vol. 55, no. 9, pp , Sept. 8. [4] J. M. Alonso, C. Ordz, D. Gaco, J. bas, A. J. Calleja. Closedloop regulated power supply for ozone generaton based on buck converter and currentfed pushpull resonant nverter. Power Electroncs and Applcatons, 9. EPE '9. 13th European Conference. pp. 11, Sept. 9. [5]. Mozuelos, M. A. Allende, M. Martnez. Dstance Access to Test Equpment n an onlne IC Test Course. Proc. of 4rd European Workshop on Mcroelectroncs Educaton, pp 97 (). [] C. Salzmann, D. Gllet, and P. Huguenn. Introducton to ealtme Control usng abview wth an Applcaton to Dstance earnng. Internatonal Journal of Engneerng Educaton: Specal Issue: abview Applcatons n Engneerng Educaton, paper 1, [7] M. Valderrama, S. Bracho, F. J. Azcondo, F. J. Díaz. aboratoro remoto de electrónca ndustral basado en el estandar IEEE488. En Actas del XI Semnaro Anual de Automátca, Electrónca Industral e Instrumentacón SAAEI 4, Sept. 4. [8] A.Nogueras, A.ago, A.Montero Nuñez, A.Otero Alonso, J.Marcos. Mejoras en la Interfaz Web de Acceso para un aboratoro emoto de Electrónca de Potenca. En Actas del Semnaro Anual de Automátca, Electrónca Industral e Instrumentacón SAAEI 9, Juno 9.