TÉCNICAS DE CONTROL ROBUSTO BASADO EN MODELO DE REFERENCIA APLICADAS A SISTEMAS MODULARES DE ALIMENTACIÓN.

Transcripción

1 TÉCNICAS DE CONTROL ROBUSTO BASADO EN MODELO DE REFERENCIA APLICADAS A SISTEMAS MODULARES DE ALIMENTACIÓN. TESIS DOCTORAL DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA ELECTRÓNICA UNIVERSIDAD POLITÉCNICA DE VALENCIA AUTOR: MARCOS PASCUAL MOLTÓ. DIRECTOR: GABRIEL GARCERÁ SANFELIU. OCTUBRE 2007.

2 ÍNDICE Capítulo 1. Introducción y estado de la técnica 1.1. Introducción Linealización de una etapa de potencia PWM. Circuito de pequeña señal de un convertidor conmutado y de un inversor Modelo del conmutador PWM Modelo del conmutador PWM en conducción continua Modelo del conmutador PWM en conducción discontinua Desarrollo teórico del control modo corriente media de convertidores conmutados e inversores Modelo de pequeña señal del control ACC Modelo ACC del convertidor Buck en conducción continua Modelo ACC del convertidor Buck en conducción discontinua Modelo ACC de un inversor monofásico con modulación PWM unipolar Sistemas modulares de alimentación Modelo de pequeña señal de un sistema DC-DC modular basado en convertidores Buck en paralelo. Circuito PSPICE para análisis de Montecarlo Modelo de pequeña señal de un sistema DC-AC modular basado en paralelización de inversores. Circuito PSPICE para análisis de Montecarlo Capítulo 2. Problemática del control modo corriente media de sistemas modulares de alimentación DC-DC y DC-AC Introducción Características dinámicas del sistema DC-DC modular nominal Descripción de la etapa de potencia Descripción de la etapa de control ACC convencional Ganancia de lazo. Frecuencia de cruce y márgenes de estabilidad Características dinámicas en lazo cerrado del sistema DC-DC modular nominal Audiosusceptibilidad en lazo cerrado Impedancia de salida en lazo cerrado Notas sobre la variación del número de módulos en un sistema DC-DC modular Simulación en gran señal del sistema DC-DC modular Escalón en la tensión de entrada Escalón en la carga Conexión-desconexión de módulos Características dinámicas del sistema DC-AC modular nominal Descripción de la etapa de potencia Descripción de la etapa de control modo corriente convencional Ganancia de lazo. Frecuencia de cruce y márgenes de estabilidad i

3 Características dinámicas en lazo cerrado del inversor nominal Ancho de banda en lazo cerrado Audiosusceptibilidad en lazo cerrado Impedancia de salida en lazo cerrado Notas sobre la variación del número de módulos en un sistema DC-AC modular Notas sobre el efecto de la variación de la tensión de salida V o Notas sobre la impedancia de salida en lazo cerrado con carga no lineal Simulación en gran señal del sistema DC-AC modular nominal Escalón en la tensión de referencia senoidal Escalón en la tensión de entrada Escalón de carga resistiva Carga no-lineal Conexión-desconexión de módulos Análisis de Montecarlo del sistema DC-DC modular. Prestaciones dinámicas ante cambios en la etapa de potencia Descripción de las variaciones de la etapa de potencia (N, R, V i, L, C...) del sistema DC-DC modular Análisis de Montecarlo de las funciones de transferencia más importantes Función de transferencia de la etapa de potencia VOC(s) Ganancia de lazo T v (s) Audiosusceptibilidad en lazo cerrado A cl (s) Impedancia de salida en lazo cerrado Z ocl (s) Análisis de Montecarlo del sistema DC-AC modular. Prestaciones dinámicas ante cambios en la etapa de potencia Descripción de las variaciones de la etapa de potencia (N, R, V i, L, C, V o...) del sistema DC-AC modular Análisis de Montecarlo de las funciones de transferencia más importantes Función de transferencia de la etapa de potencia VOC(s) Ganancia de lazo T v (s) Función de transferencia en lazo cerrado VOR(s) Audiosusceptibilidad en lazo cerrado A cl (s) Impedancia de salida en lazo cerrado Z ocl (s) Conclusiones sobre el control convencional de sistemas modulares de alimentación Capítulo 3. Objetivos de la tesis Capítulo 4. Desarrollo del control modo corriente robusto con seguimiento de modelo (RMF) tipo paso alto para el control de convertidores DC-DC modulares Introducción ii

4 4.2. Diagrama de bloques completo del control modo corriente robusto con seguimiento de modelo tipo paso alto para el control de convertidores DC-DC modulares Descripción del lazo RMF basado en modelo de referencia paso-alto Lazo robusto interno: T int (s) Función de transferencia vista por el regulador de tensión: VOU(s) Condición de robustez: Elección de VOC ref (s) y diseño del lazo T int (s) Consideraciones relativas al ruido de conmutación en el diseño del lazo T int (s) Diseño del regulador de tensión G v (s) Regulador de tensión equivalente G v,eq (s) y lazo de tensión equivalente T v,eq (s) Mejora del rechazo a perturbaciones Implementación del control RMF paso-alto en un sistema DC-DC modular Buck Etapa de potencia nominal Diseño de los controladores auxiliares Ganancia de lazo equivalente. Frecuencia de cruce y márgenes de estabilidad Estudio de las prestaciones dinámicas obtenidas con control RMF paso-alto Características dinámicas en lazo cerrado del sistema DC-DC con control RMF paso-alto Audiosusceptibilidad en lazo cerrado Impedancia de salida en lazo cerrado Simulación en gran señal del sistema DC-DC modular con control RMF paso-alto Escalón en la tensión de entrada Escalón en la carga Conexión-desconexión de módulos Análisis de Montecarlo de las funciones de transferencia más importantes Función de transferencia de la etapa de potencia modificada VOU(s) Ganancia de lazo T v (s) Ganancia de lazo equivalente T v-eq (s) Audiosusceptibilidad en lazo cerrado A cl (s) Impedancia de salida en lazo cerrado Z ocl (s) Conclusiones sobre el control RMF paso-alto Capítulo 5. Desarrollo del control modo corriente robusto con seguimiento de modelo (RMF) tipo paso bajo para el control de convertidores DC-DC modulares Introducción Diagrama de bloques completo del control modo corriente robusto con seguimiento de modelo tipo paso bajo para el control de convertidores DC-DC modulares Descripción del lazo RMF basado en modelo de referencia paso-bajo Lazo interno T int (s) y lazo de referencia T ref (s) Función de transferencia vista por el regulador de tensión: VOU(s) Diseño del lazo T int (s) y elección de VOC ref (s) Diseño del regulador de tensión G v (s) iii

5 Regulador de tensión equivalente G v,eq (s) y lazo de tensión equivalente T v,eq (s) Mejora del rechazo a perturbaciones Procedimiento de diseño del control RMF paso-bajo Implementación del control RMF paso-bajo en un sistema DC-DC modular Buck Etapa de potencia nominal Diseño de los controladores auxiliares Ganancia de lazo equivalente. Frecuencia de cruce y márgenes de estabilidad Estudio de las prestaciones dinámicas obtenidas con control RMF paso-bajo Características dinámicas en lazo cerrado del sistema DC-DC con control RMF paso-bajo Audiosusceptibilidad en lazo cerrado Impedancia de salida en lazo cerrado Simulación en gran señal del sistema DC-DC modular con control RMF paso-bajo Escalón en la tensión de entrada Escalón en la carga Conexión-desconexión de módulos Análisis de Montecarlo de las funciones de transferencia más importantes Función de transferencia de la etapa de potencia modificada VOU(s) Ganancia del lazo externo T v (s) Ganancia del lazo equivalente T v-eq (s) Audiosusceptibilidad en lazo cerrado A cl (s) Impedancia de salida en lazo cerrado Z ocl (s) Conclusiones sobre el control RMF paso-bajo Comparativa RMF paso-alto vs. RMF paso-bajo Capítulo 6. Desarrollo del control modo corriente RMF paso-bajo para el control de inversores modulares Introducción Diagrama de bloques completo del control modo corriente robusto con seguimiento de modelo tipo paso bajo para el control de convertidores DC-AC modulares Descripción del lazo RMF basado en modelo de referencia paso-bajo Lazo interno T int (s) y lazo de referencia T ref (s) Función de transferencia vista por el regulador externo Diseño del regulador externo G(s) Regulador equivalente G eq (s) y lazo equivalente T eq (s) Procedimiento de diseño del control RMF paso-bajo Mejora del rechazo a perturbaciones Implementación del control RMF paso-bajo en un sistema DC-AC modular Etapa de potencia nominal Diseño de los controladores iv

6 Ganancias de lazo equivalentes. Frecuencias de cruce y márgenes de estabilidad Estudio de las prestaciones dinámicas obtenidas con control RMF paso-bajo Características dinámicas en lazo cerrado del sistema DC-AC con control RMF paso-bajo Ancho de banda en lazo cerrado Audiosusceptibilidad en lazo cerrado Impedancia de salida en lazo cerrado Simulación en gran señal del sistema DC-DC modular con control RMF paso-alto Escalón en la tensión de referencia Escalón en la tensión de entrada Escalón en la carga Carga no-lineal Conexión-desconexión de módulos Análisis de Montecarlo de las funciones de transferencia más importantes Función de transferencia de la etapa de potencia VOC(s) Ganancias de lazo externas T ext,i (s) y T ext,v (s) Ganancias de lazo equivalentes T eq,i (s) y T eq,v (s) Función de transferencia en lazo cerrado VOR(s) Audiosusceptibilidad en lazo cerrado A cl (s) Impedancia de salida en lazo cerrado Z ocl (s) Conclusiones sobre el control RMF paso-bajo Capítulo 7. Materiales empleados 7.1. Software Material de laboratorio Prototipos experimentales Capítulo 8. Resultados experimentales 8.1. Introducción Sistema modular DC-DC con control RMF paso-alto Consideraciones previas Ganancias de lazo T v (s) y T v,rmf (s) Conducción continua (CCM) Conducción discontinua (DCM) Audiosusceptibilidad en lazo cerrado A cl (s) y A cl,rmf (s) Impedancia de salida en lazo cerrado Z ocl (s) y Z ocl,rmf (s) Escalones de carga Sistema modular DC-DC con control RMF paso-bajo v

7 Consideraciones previas Ganancias de lazo T v (s) y T v,rmf (s) Conducción continua (CCM) Conducción discontinua (DCM) Audiosusceptibilidad en lazo cerrado A cl (s) y A cl,rmf (s) Impedancia de salida en lazo cerrado Z ocl (s) y Z ocl,rmf (s) Escalones de carga Sistema modular DC-AC con control RMF paso-bajo Consideraciones previas Escalones de carga Carga no lineal Seguimiento de la señal de referencia de corriente Capítulo 9. Conclusiones y futuras líneas de investigación 9.1. Conclusiones Futuras líneas de investigación Referencias Publicaciones derivadas de la tesis vi