DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN CONVERTIDOR DC/DC TIPO BOOST CON PWM AJUSTABLE ORIENTADO A LA

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1 DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN CONVERTIDOR DC/DC TIPO BOOST CON PWM AJUSTABLE ORIENTADO A LA ENSEÑANZA Jhon Jairo Ordoñez Urbano Luis Fernando Mosquera Machado Trabajo de grado presentado como requisito parcial para optar al título de Ingeniero Electricista Director M.Sc. Jesser James Marulanda Durango Pereira, Febrero de 2016 UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA DE PEREIRA Programa de Ingeniería Eléctrica. Grupo de investigación en Electrónica de Potencia

2 ii Nota de Aceptación M.Sc. Jesser James Marulanda Durango. Director Pereira, Febrero de 2016

3 iii DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN CONVERTIDOR DC/DC TIPO BOOST CON PWM AJUSTABLE ORIENTADO A LA ENSEÑANZA Jhon Jairo Ordoñez Urbano Luis Fernando Mosquera Machado Pereira, Febrero de 2016 Programa de Ingeniería Eléctrica. Universidad Tecnológica de Pereira La Julita. Pereira(Colombia) TEL: (+57)(6) Versión web disponible en:

4 Agradecimientos Le agradecemos a DIOS por habernos permitido llegar hasta este punto, y habernos dado salud para lograr nuestros objetivos. Además de su infinito amor y bondad. Gracias a nuestro director: Jesser James Marulanda Durango, por todo el apoyo, por guiarnos a realizar este proyecto. Gracias al ingeniero Alfonso Alzate Gómez por sus aportes y comentarios. También les agradecemos a todos los profesores y amigos que aportaron con ideas, consejos, experiencia y apoyo en la realización de este proyecto. Y por encima de todo, y con todo nuestro amor, gracias a los nuestros por estar incondicionalmente con nosotros durante estos años. Siempre. Gracias familia. Y gracias a los que vienen y a los que ya no están. Gracias por todo. Los queremos con todo el corazón. iv

5 Resumen Para diseño del prototipo experimental del convertidor Boost con PWM ajustable, se procedió en primer lugar a realizar un estudio de los módulos de convertidores orientados a la enseñanza, en segundo lugar se realizó la programación y construcción del PWM ajustable, cuya finalidad es realizar cambios tanto de frecuencia como ciclo de trabajo en tiempo real en el circuito. Posteriormente se hace el cálculo teórico de los componentes para el circuito de potencia para luego ser simularlos y montados en baquela y así verificar su funcionamiento práctico, una vez obtenidos y verificados estos datos se procede a acoplar los mismos. Por último se construye la estructura (carcasa) del convertidor Boost donde se integran todos los elementos del prototipo. v

6 Tabla de Contenido 1. Introducción Planteamiento del problema Justificación Objetivos General Especificos Trabajos anteriores Alcance Contribuciones Estructura del trabajo de grado Metodología Fases del proyecto Fase 1: Estudio del convertidor elevador Fase 2: Programación del microcontrolador Fase 4: Diseño del convertidor Fase 5: Montaje del convertidor Fase 6: Pruebas y validación de resultados Desarrollo Marco teórico Convertidor Boost (step-up converter) modo de operación continuo Ecuaciones del convertidor en modo continuo Formas de onda del convertidor Boost Modulación por ancho de pulsos (PWM) Etapa de diseño Especificaciones de diseño Consideraciones de diseño Características del módulo Desarrollo del PWM ajustable Características del microcontrolador PIC 16F877A vi

7 TABLA DE CONTENIDO vii Modo del PWM del PIC 16F877A Salida del PWM PIC 16F877A Periodo del PWM Frecuencia del PWM Ciclo de trabajo PWM Programación del PIC Prototipo de PWM ajustable para pruebas Fuente de entrada DC Elementos de potencia del convertidor Diseño de la carcasa Costos del prototipo Pruebas y validación del prototipo Introducción Pruebas Modo de conducción continuo Modo de conducción discontinuo Conclusiones y recomendaciones 33 A. Circuito imporeso PCB 36 B. Circuito simulado en Proteus 8 Profesional 37 C. Generación PWM en PIC C Compiler 39 D. Datasheet FLUKE E. Datasheet Mosfet IRFZ44N 44 F. Código PWM ajustable 45

8 Índice de figuras 3.1. Diagrama de bloques del convertidor. [autores] Topología Boost (elevador) [8] Circuito equivalente con el interruptor (Switch) cerrado [8] Circuito equivalente con el interruptor (Switch) abierto [8] Tiempos de Encendido y Apagado en un Periodo T [8] Formas de onda del convertidor Boost (Tensión y Corriente en el inductor) [8] Formas de onda de Tensión y Corriente en el Capacitor [8] Formas de onda en modo de conducción discontinuo del convertidor Boost [autores] Ciclos de trabajo. [autores] Modulación por ancho de pulso o PWM. [autores] Distribución de pines del PIC 16f877A [2] Salida PWM [2] Tarjeta electrónica PIC K Software K150 v Programación del microcontrolador Pic 16F877A Prototipo de prueba de PWM ajustable [autores] Adaptador AC/DC [autores] Diseño del adhesivo del módulo [autores] Distribución de pines para medición del módulo [autores] Módulo experimental ensamblado [autores] Corriente en el inductor Corriente en el inductor de 500 [uh] Corriente en el inductor de 50 [uh] Carga inductiva auxiliar [autores] Carga resistiva auxiliar [autores] Corriente en el inductor (modo discontinuo) Modo de conducción discontinuo (Cargas auxiliares) viii

9 Índice de cuadros 3.1. Especificaciones de diseño Elementos de potencia del convertidor Boost Costos Especificaciones de diseño ix

10 x ÍNDICE DE CUADROS

11 Capítulo 1 Introducción La electrónica de potencia actualmente influye en muchas aplicaciones, ya que se encarga de la conversión de energía usando dispositivos electrónicos y técnicas de control que permiten un manejo eficiente de la energía. De manera sencilla un sistema de potencia, de acuerdo a su entrada o salida de voltaje se puede reconocer varias topologías: DC-DC(convertidores), CD-CA (inversores), CA-CD (rectificadores), y CA-CA. Los convertidores DC-DC se encargan de convertir un voltaje de suministro constante, a los niveles de voltaje o corriente que requiera la carga. A nivel global hay empresas que ofrecen dentro de su portafolio comercial convertidores de diversas especificaciones para numerosos sectores desde el sector aeronáutico hasta el educativo. Estos, en general poseen numerosas configuraciones a mencionar: convertidor elevador (Boost), convertidor reductor (Buck), y convertidor reductor-elevador (Buck-Boost), en los referidos circuitos un factor muy importante es el de la frecuencia de conmutación ya que de esta depende la eficiencia de estos convertidores. Hoy en día los avances en la electrónica de potencia permiten desarrollar técnicas de control moderno, con número reducido de componentes para así dar mayor confiabilidad y eficiencia de la energía en los convertidores. En el laboratorio de ingeniería eléctrica hay una serie de dispositivos y herramientas que logran hacer que práctica y teoría vayan de la mano para así lograr un mayor entendimiento. Con el fin de afianzar y contribuir en el aprendizaje y dar solución a algunas falencias se propone diseñar y construir un módulo didáctico para la asignatura de electrónica de potencia que contenga un convertidor DC-DC elevador (Boost) con PWM ajustable, este módulo ayudará a establecer las bases de los convertidores DC-DC, guiándolos en el análisis del circuito y demás componentes Planteamiento del problema La electrónica de potencia es un área de rápido desarrollo en la ingeniería y está tomando cada día mayor importancia; entorno a este desarrollo la enseñanza no puede estar ajena a la 1

12 2 CAPÍTULO 1. INTRODUCCIÓN dinámica del conocimiento. Sus características y contenidos deben estar enfocados en afianzar el conocimiento de forma equilibrada en las personas. Esta debe contar con laboratorios que tengan gran abastecimiento de componentes electrónicos y dispositivos que complemente el conocimiento. En ingeniería eléctrica en distintas áreas existen diferentes módulos que permiten un estudio más profundo de ciertos postulados teóricos que son tratados en las clases, pero infortunadamente no todas las asignaturas cuentan con estas ayudas, en otras palabras, los recursos disponibles no son suficientes y la falta de elementos didácticos en el laboratorio dificulta el entendimiento del comportamiento real tanto de circuitos como de fenómenos analizados, lo que trae como consecuencia una serie de inconvenientes tanto para docentes como para estudiantes. Un caso particular se presenta en la asignatura de electrónica de potencia, donde se analizan distintas topologías de circuitos convertidores con diferentes características y para diferentes fines, los componentes existentes en el laboratorio no son suficientes para recrear estos circuitos de forma satisfactoria y si aún lo fueran esto acarrearía invertir tiempo en su construcción, desviándose de esta forma del objetivo real. Para dar solución en algunas fallas se propone construir un módulo de experimentación de un convertidor CD-CD tipo Boost (elevador) con PWM (PWM, modulación por ancho de pulsos) ajustable, este módulo permitirá eliminar tiempos de conexión de componentes individuales, además que se podrá experimentar teniendo en cuenta las variables de funcionamiento como son: ciclo de trabajo, frecuencia y una serie de medidas que se podrán ver en el osciloscopio Justificación En ingeniería, el laboratorio es un lugar donde se realizan investigaciones, experimentos, prácticas y trabajos de carácter científicos, tecnológicos o técnicos, de ahí su importancia en el desarrollo académico de los ingenieros, en razón de que posee una serie de características que los ayuda a analizar desde otro punto de vista los diferentes fenómenos y componentes de muchos circuitos, entre otros. En otras palabras, esto permite consolidar el conocimiento usando la interrelación de la teoría y la práctica, además eleva los estándares en cuanto a la calidad del conocimiento adquirido, permitiendo aumentar la capacidad de comprensión de los fenómenos que allí se estén analizando. Se propone la construcción de un módulo de experimentación de un convertidor DC-DC elevador, que brindará tanto a profesores como a estudiantes que cursan la materia de electrónica de potencia una herramienta que les permita afianzar el conocimiento, aplicando lo aprendido en clase. Este proyecto ayudará, tanto para la formación como ingenieros, como para personas que pretenden que la Universidad continúe su crecimiento hacia un futuro en dónde teoría, práctica y experimentación puedan ir de la mano.

13 1.3. OBJETIVOS Objetivos General Diseño y construcción de un convertidor DC/DC tipo Boost con PWM ajustable orientado a la enseñanza Especificos Determinar el tipo de microcontrolador adecuado para desarrollar el PWM ajustable. Diseñar el circuito de pulsos para el módulo del convertidor DC-DC. Diseñar el circuito de potencia del convertidor. Implementación del módulo del convertidor DC-DC. Verificar el funcionamiento del convertidor comparando sus resultados con los obtenidos en la simulación Trabajos anteriores Entre las principales referencias bibliográficas utilizadas, se tienen aquellas obtenidas por medio de la Internet y otras particularmente de IEEE, además de una serie de libros especificados en el área de la electrónica de potencia, así mismo se acudió a leer artículos de carácter especializados de electrónica de potencia, específicamente en lo pertinente a convertidores de DC-DC conmutados. Se procedió a establecer una serie de principios de orden técnico en los cuales se pueden enmarcar una serie de aspectos relacionados con el proyecto. MARCO ANTONIO CARIT QUIRÓS, en junio del 2005 diseña y construye un convertidor Boost con fines didácticos, donde hace una descripción de la teoría de las fuentes conmutadas, enfocándose principalmente en el tipo Boost, pasando luego por la etapa de diseño, aplicando toda la teoría para luego la implementación de la fuente, en este documento el autor resalta las principales dificultades y las posteriores recomendaciones para su construcción. También realiza un análisis de los parámetros de diseño por medio de pruebas físicas a la fuente construida los cuales fueron comprobados con los valores esperados, la principal variable estudiada fue el ciclo de trabajo, variable que regula el funcionamiento de la fuente [3]. LUIS FELIPE CATALÁN en junio de 2007 presentó un informe de proyecto de grado en

14 4 CAPÍTULO 1. INTRODUCCIÓN donde se diseña un sistema para un convertidor de CD-CD, como regulador reductor o elevador de modo de conmutación en operación discontinua [4]. ROBER WILFREDO C.O Y LEONEL SANTIAGO. R.G, en el 2013 diseña y construyen un módulo didáctico de un conversor AC/CD-CD/CD con control PWM, destinado al laboratorio de control eléctrico de la ESPE extensión LATACUNGA, esté convertidor tiene 3 etapas en las cuales, en la primer etapa se compone del conversor AC/CD el cual proporciona un voltaje fijo, la segunda etapa consta de un conversor CD/CD de puente completo que está diseñado con un transistor IGBT, y en la última etapa de control se utiliza las técnicas PWM para la activación de los transistores [5]. SEBASTIAN CARDONA.H Y STIVEN OSPINA.H, en el 2015 construyen un módulo convertidor CC-CC elevador, para prácticas en el laboratorio del programa de ingeniería mecatrónica, en el desarrollo del convertidor ellos proyectan los elementos que conforman el diseño y construcción del mismo entre los que se encuentra, el modelo matemático, prototipo en lazo abierto, diseño del controlador, construcción del sistema. También simulan el circuito en diferentes software como ORCAD capture, matlab con el fin de un mejor análisis [6]. JOVANNY BEDOYA.G, en el 2013 diseña un módulo destinado para el aprendizaje de convertidores AC-DC, en este trabajo se presenta el diseño e implementación del rectificador monofásico controlado, semicontrolado y no controlado. También se diseño e implemento el control de fase con sus respectivas variables, donde se presenta el control online como elemento principal de este trabajo atreves de software libres, por medio de técnicas de control digital por ejemplo control proporcional, proporcional integral, PID u otra. Se toma todos los elementos y equipos disponibles en el laboratorio y en el mercado para simplificar su implementación. Se Realizan predicciones del circuito utilizando modelos matemáticos basados en el comportamiento ideal para obtener parámetros de referencia para el estudio del desempeño del circuito. Finalmente se llega a un circuito sencillo con un desempeño que permite que los datos realizados se puedan considerar valiosos para el estudio del comportamiento de un rectificador controlado, semicontrolado y no controlado de onda completa [7] Alcance Con el propósito de reforzar el conocimiento se presenta un módulo de experimentación de un convertidor Boost, con el fin de que sea otro instrumento que logre un equilibrio entre la práctica y la teoría, y así obtener un mejor entendimiento de los convertidores DC-DC. Este módulo cuenta con una serie de herramientas para su uso, que permiten analizar las diferentes topologías de este convertidor, y permitirá ahorrar tiempo en conexiones entre

15 1.6. CONTRIBUCIONES 5 otras ventajas más Contribuciones La contribución de este trabajo al estado del arte son las siguientes: se obtiene un prototipo experimental para laboratorio de electrónica de potencia de un convertidor DC-DC Boost con PWM ajustable, cuyo funcionamiento depende de la variación de frecuencia y ciclo de trabajo Estructura del trabajo de grado Este documento está dividido de la siguiente manera. En el capítulo 2 se muestra la metodología, en la que se muestran las fases del proyecto. En el capítulo 3 se encuentra el desarrollo, en este se hace una breve descripción del convertidor DC-DC Boost y sus modos de operación, también se habla acerca de la modulación por anchura de Pulsos (PWM) y finalmente la etapa de diseño del convertidor Boost, en esta etapa se muestran las especificaciones y parámetros de diseño del convertidor. En el capítulo 4 se analizan los resultados obtenidos en la teoría y se los compara con los resultados obtenidos en la práctica. Finalmente se presentan las conclusiones en el capítulo 5.

16 Capítulo 2 Metodología Este módulo hace parte de una serie de convertidores DC-DC, realizado por estudiantes de ingeniería eléctrica de la Universidad Tecnológica de Pereira; en este proyecto se logra implementar un prototipo experimental orientado a la enseñanza de la electronica de potencia. La estructura del mismo es teórica - práctica, inicialmente se realiza un estudio sobre el estado del arte en modelos experimentales de los convertidores de corriente en paralelo con el estudio del convertidor elevador, luego para la implementación de PWM ajustable se procede a escoger el microcontrolador más adecuado. Para el bosquejo del controlador se tiene en cuenta las consideraciones de diseño y la selección de los dispositivos utilizados y por ultimo pruebas y resultados. Para desarrollar el modulo experimental del convertidor Boost, se utilizó Simulink para verificar el funcionamiento del convertidor con unos puntos de operación conocidos, Proteus 8 para montar el circuito PWM y corroborar su actividad, PIC C Compiler para la programación del PWM ajustable y por ultimo DIY K150 que permite la grabación del código en el microcontrolador. Entre las principales referencias bibliográficas utilizadas, se tienen aquellas obtenidas por medio de la Internet y otras particularmente de IEEE, además de una serie de libros especificados en el área de la electrónica de potencia Fases del proyecto Fase 1: Estudio del convertidor elevador Esta fase se centra en los convertidores de continua-continua y sus principales características. Se analiza con precisión el modelo del convertidor Boost en ambos modos de operación y se elabora el estudio teórico de acuerdo a los rangos de variación de los parámetros a los cuales va a operar el modulo. El convertidor Boost, es un tipo de convertidor conmutado DC-DC, también conocido como convertidor elevador (step-up) o chopper paralelo, la función de este convertidor es mantener una tensión de salida regulada frente a variaciones en la tensión de entrada o de la carga. 6

17 2.1. FASES DEL PROYECTO 7 Su principal aplicación se halla en las fuentes de alimentación conmutadas y en el frenado regenerativo de los motores, este tipo de convertidor es de segundo orden, posee dos modos de operación: según la corriente por la inductancia L, uno es el modo de operación continua y el otro es el modo de operación discontinua Fase 2: Programación del microcontrolador La segunda fase de este proyecto consiste en implementar el PWM ajustable, encargado de generar la señal modulada por anchura de pulsos a partir de un ciclo de trabajo y frecuencia de operación. para esto se utiliza un microcontrolador PIC 16F877A (Peripheral Interface Controler) que es un circuito integrado programable que contiene los elementos necesarios para controlar un sistema es decir un controlador de periféricos. Cuando se hace referencia a un circuito integrado programable que controla periféricos, estamos hablando de un sistema que contiene entre otras cosas una unidad arimético-lógica, unas memorias de datos y programas, unos puertos de entrada y salida, es decir de un pequeño ordenador diseñado para realizar unas funciones específicas Fase 4: Diseño del convertidor En esta parte del proyecto se definen los rangos de operación del convertidor tales como: Voltaje de entrada y voltaje de salida Corriente de entrada y corriente de salida Potencia máxima también se muestra las especificaciones del mosfet y del diodo. Luego se seleccionan los componentes utilizados en el prototipo disponibles comercialmente Fase 5: Montaje del convertidor En esta parte, el montaje del convertidor Boost se ejecutó de la siguiente forma; Primero se selecciona la tarjeta para conectar los elementos del potencia del convertidor, luego se acopló la parte del PWM ajustable con la parte de potencia, posteriormente se establece la forma constructiva de la carcasa junto con sus entradas y salidas y por ultimo se ensambla todo el módulo Fase 6: Pruebas y validación de resultados La validación del prototipo consiste en comparar los resultados con el mismo y los correspondientes obtenidos en la simulación, se cuantifica las diferencias observadas entre los datos medidos y observados mediante error porcentual.

18 Capítulo 3 Desarrollo 3.1. Marco teórico Para el diseño y construcción de un convertidor DC-DC tipo Boost, se esbozan una serie de componentes entrelazados que conforman la parte de potencia del convertidor. A continuación se muestra el diagrama de bloques de dicho convertidor en lazo abierto. Figura 3.1: Diagrama de bloques del convertidor. [autores] En la figura 3.1 se observan todos los componentes del convertidor, como la fuente de entrada DC, por donde se alimenta la parte de potencia del convertidor, también la parte de la señal PWM ajustable y su posterior carga. 8

19 3.1. MARCO TEÓRICO Convertidor Boost (step-up converter) modo de operación continuo Los convertidores elevadores o Boost son parte integral de muchos equipos electrónicos actuales, estos permiten elevar un voltaje continuo no regulado a otro continuo de mayor magnitud regulado, básicamente está compuesto por una fuente DC, un dispositivo de conmutación y un filtro pasa bajo que normalmente alimenta una carga. En la figura 3.2 se muestra el convertidor elevador, este convertidor conmutado, funciona abriendo y cerrando el interruptor electrónico periódicamente. Para su análisis se hace un modelo dinámico basado en las leyes de Kirchhoff, aplicando a todos los estados del circuito del convertidor Boost [6]. Figura 3.2: Topología Boost (elevador) [8]. Se pueden observar diferentes elementos como interruptor, diodo, inductancia, capacitor, y la resistencia. Es importante resaltar que el interruptor debe ser un dispositivo de conmutación (MOSFETs), al cual se le aplica unos pulsos en la puerta del dispositivo. Este circuito esta alimentado por una fuente DC que es la encargada de proporcionar la tensión y corriente necesaria para el funcionamiento del prototipo, también tiene un diodo ultra rápido de potencia cuya función es proporcionar un camino a la corriente de la bobina. Cuando el interruptor está abierto el diodo se polariza en directa, y se polariza en inversa cuando el interruptor está cerrado. Básicamente el funcionamiento del convertidor se resume así: Cuando el Switch está cerrado en un tiempo t on la bobina L almacena energía de la fuente, a la vez la carga es alimentada por el condensador. Cuando el Switch está abierto en un tiempo t off, el único camino para la corriente es a través del diodo, y circula por el condensador C y por último la carga[1]. Por otra parte la topología elevadora se puede definir con la ecuación 1. En la cual se puede ver su dependencia absoluta con el ciclo de trabajo.

20 10 CAPÍTULO 3. DESARROLLO D = t on T (3.1) Donde D: Ciclo de trabajo T: Periodo de conmutación ton: Tiempo de encendido Vo: Voltaje en la carga Vin: Voltaje de alimentación V o = V s 1 D (3.2) Finalmente para analizar el convertidor elevador supondremos lo siguiente: El circuito opera en régimen permanente La corriente en la bobina es positiva El valor del condensador es muy grande y la tensión de salida se mantiene constante El periodo de conmutación es T. El interruptor estará cerrado en un tiempo D T y estará abierto el resto del tiempo (1 D) T En la figura 3.3 y 3.4 se tienen la forma del circuito cuando el interruptor está cerrado y cuando el interruptor está abierto. Figura 3.3: Circuito equivalente con el interruptor (Switch) cerrado [8].

21 3.1. MARCO TEÓRICO 11 Figura 3.4: Circuito equivalente con el interruptor (Switch) abierto [8]. En la figura 3.5 se muestra la tensión media de salida en un periodo T. Figura 3.5: Tiempos de Encendido y Apagado en un Periodo T [8] Ecuaciones del convertidor en modo continuo A continuación se muestran las ecuaciones que rigen el comportamiento del convertidor idealizado en modo de conducción continuo, régimen permanente y pequeño rizado en la tension de salida. Tensión de salida V o = V s (1 D) Inductancia mínima que garantizará modo de régimen permanente L MIN = D(1 D)2 R 2f (3.3) (3.4) Valor de la Inductancia (Bobina) L = K f L MIN (3.5) En la práctica, K f se ajusta 125 % mayor o 10 veces mayor que el valor mínimo calculado del inductor.

22 12 CAPÍTULO 3. DESARROLLO Corriente en la bobina ( ) V S I L = (1 D) 2 R Corriente máxima en la bobina ( V S I MAX = (1 D) 2 R + (V ) SD) 2Lf Corriente mínima en la bobina ( v S I MIN = (1 D) 2 R (V ) SD) 2Lf (3.6) (3.7) (3.8) Rizado de la Tensión Capacitancia V = C = ( ) Dv0 CRf (3.9) D (3.10) 2f v 0 v Formas de onda del convertidor Boost Modo de conducción continuo Figura 3.6: Formas de onda del convertidor Boost (Tensión y Corriente en el inductor) [8].

23 3.1. MARCO TEÓRICO 13 Figura 3.7: Formas de onda de Tensión y Corriente en el Capacitor [8]. Modo de conducción discontinuo Figura 3.8: Formas de onda en modo de conducción discontinuo del convertidor Boost [autores].

24 14 CAPÍTULO 3. DESARROLLO Modulación por ancho de pulsos (PWM) La modulación por ancho de pulsos también conocida como PWM (Pulse-Width Modulation) de una señal o fuente de energía es una técnica poderosa en la que se modifica el ciclo de trabajo de una señal periódica para controlar circuitos analógicos con salidas digitales de un microprocesador. El PWM se emplea en una amplia variedad de aplicaciones, que van desde la medición y comunicaciones para el control de energía, potencia que se envía a una carga y la conversión. Por lo general el ciclo de trabajo de una señal periódica es el ancho relativo de su parte positiva en relación con el período. En la figura 3.8 se muestran señales PWM con diferentes ciclos de trabajo para una mirada más didáctica de la modulación por ancho de pulso. Figura 3.9: Ciclos de trabajo. [autores] La modulación por ancho de pulso se basa en la comparación de una señal de referencia a modular y una señal portadora de forma triangular o diente de sierra (figura 3.9). La comparación generará un tren de pulsos de ancho específico que se utilizan en la conmutación. La relación entre la amplitud de la señal portadora y la señal de referencia se llama índice de modulación que se representa por m a (3,15), m a = A r A c (3.11) donde A r es la amplitud de la señal de referencia y A c es la amplitud de la señal portadora.

25 3.2. ETAPA DE DISEÑO 15 Figura 3.10: Modulación por ancho de pulso o PWM. [autores] 3.2. Etapa de diseño Especificaciones de diseño En la tabla 3.1 se presentan los especificados para el diseño del convertidor elevador (Boost). Variable Tension de alimentación (V S ) Corriente máxima de salida Frecuencia Carga resistiva Inductores Convertidor 9 V 2 A [20 150] khz [50 100] [Ohmios] [50 500] uh Tabla 3.1: Especificaciones de diseño Consideraciones de diseño Si la frecuencia de conmutación aumenta, el tamaño del inductor mínimo y el condensador mínimo para la corriente continua limitan el rizado de la tension salida.

26 16 CAPÍTULO 3. DESARROLLO Las altas frecuencias de conmutación permiten reducir el DAT (distorsión armónica total) y el tamaño de los elementos almacenadores de energía (bobina y condensador). Altas frecuencias de conmutación causan que las pérdidas de potencia se incrementen en el interruptor (aumenta el calor emitido) y por ende se reducirá la eficiencia del convertidor. En general, la frecuencia de conmutación se elige para ser de [20 khz a 150 khz]. L está diseñado para ser 125 % mayor que el valor mínimo calculado para el inductor. (para permitir corriente continua). El condensador se selecciona para limitar el rizado de salida al 1 % de las especificaciones de diseño para soportar la tensión máxima de salida. El interruptor seleccionado (por ejemplo, IGBT, MOSFET, BJT, etc.) debe soportar la tensión máxima cuando está apagado y la corriente mínima cuando está activado. El índice de temperatura no debe ser superado Características del módulo Las características mas relevantes de este módulo convertidor DC-DC Boost son: Este módulo es un convertidor DC-DC con PWM ajustable, osea varía tanto ciclo de trabajo como frecuencia entre los rangos determinados en las especificaciones de diseño en tiempo real. Posee puertos auxiliares con el fin de poder variar cargas, tanto resistencias como inductivas. Su voltaje de entrada: 5-24 [V], tiene un inversor (Cargador) AC/DC de O VAC/24 VDC que soporta los elementos internos. Posee pines de medición y sus formas de onda (voltaje en todos los elementos del módulo y corriente en el inductor). Frecuencia de conmutación de [20KHz - 150KHz]. Voltaje de salida: 30 [V] máximos (30 Vmax), con un cicli de trabajo del 87 % y una frecuencia de conmutación de 20 [khz] una L= 500 uh y R=100 Ohms Corriente máxima en la carga: 2A máximos (2 Amax). Dimensiones: 22*50*15 cm Peso: 1.5 Kg

27 3.2. ETAPA DE DISEÑO Desarrollo del PWM ajustable Este desarrollo se realizará mediante modulación de ancho de pulso para ello se utilizará el pic 16F877A, su función consiste en proporcionar un pulso de onda cuadrada con ciclo de trabajo y frecuencia variable, este pulso se le aplica a la puerta del transistor (Mosfet de potencia). El microcontrolador pic ha sido escogido por sus prestaciones, versatilidad y practicidad en el control de transistores. Este integrado ha sido diseñado para aplicaciones que usan técnicas de modulación de ancho de pulso (PWM) entre otras, como por ejemplo, para conmutar reguladores en ambas polaridades, transformadores acoplados o convertidores DC-DC. El pic 16F877A se basa en la arquitectura Harvard, en la cual el programa y los datos se pueden trabajar con buses (un bus es un conjunto de líneas que transportan información entre 2 o más módulos), y memorias separadas, lo cual permite que las instrucciones y los datos tengan longitudes diferentes. En la figura 3.10 se muestra la distribución de pines del Pic mencionado. Este microcontrolador incorpora variedades de funciones, tales como los modos CCP (Compilador, Comparador, PWM). En este caso nos vamos a centrar en el modo 3 (PWM), el pic 16F877A utiliza los pines 16 y 17 como modos CCP, correspondientes a los puertos C, RC1 Y RC2, por donde podemos obtener nuestra señal periódica (es decir que se repite en el tiempo) a la cual se le puede modificar la frecuencia y el ciclo de trabajo. La figura 3.10 muestra la distribución de pines del Pic mencionado. Figura 3.11: Distribución de pines del PIC 16f877A [2]

28 18 CAPÍTULO 3. DESARROLLO Características del microcontrolador PIC 16F877A Memoria de programa: flash de 8k de instrucciones de 14 bits Memoria de datos: SRAM de 512 bytes, EEPROM de 256 bytes Pines I/O (Input/output):6 del puerto A, Pilas (Starck), 8 niveles (14bist) Fuente de interrupción 14 Instrucciones 35 Compatible modo SLEEP Frecuencia máxima del oscilador de 20MHz Conversor análogo/digital de 10 bits multicanal (8 canales de entrada) Corriente máxima absorbida=suministrada (sink/source) por pin: 25Ma Voltaje nominal: 3 a 5.5 DC (CMOS) Power on Reset Power up Timer PWRT) Oscilador Startup Timer (ost) Modo del PWM del PIC 16F877A En el modo de modulación de ancho de pulso, el pasador CCPx produce hasta una resolución de 10 bits, desde el pin CCP1 se multiplexa con el PROTC de retención de datos, en la figura 5.3, se muestra un diagrama de bloques simplificado del módulo PWM.

29 3.2. ETAPA DE DISEÑO Salida del PWM PIC 16F877A Periodo del PWM Figura 3.12: Salida PWM [2] El periodo se especifica por PR2, este periodo se calcula mediante la fórmula: periodosp W M = [(P R2) + 1] 4 T osc (T MR2 prescale value) (3.12) Frecuencia del PWM [ ] 1 F recuenciap W M = P eriodop W M (3.13) Ciclo de trabajo PWM CiclodetrabajoP W M = (CCP R1L : CCP 1CON < 5 : 4 >) T osc (T MR2P rescalevalue) (3.14) Programación del PIC Un PIC (Programable Integrated Circuit) es un circuito integrado programable. Programable quiere decir que se puede planificar la manera como va a funcionar, que se puede adaptar a nuestras necesidades. En otras palabras el integrado es capaz de modificar su comportamiento en función de una serie de instrucciones que es posible comunicarles. Toda esta actividad se divide en 4 pasos: Editar

30 20 CAPÍTULO 3. DESARROLLO Compilar Quemar el PIC Probar el programa Editar: Es escribir el programa, es hacer una lista de instrucciones en un lenguaje que nos permita decirle al PIC lo que deseamos que haga. Compilar: Es traducir el programa a lenguaje de máquina que si entiende PIC. Quemar el PIC: En este paso se graba el programa en el PIC, mediante una tarjeta electrónica y un software se pasa el programa compilado de la PC al PIC. Para el este proyecto se utilizó la tarjeta electrónica PIC K150 Figura 3.13: Tarjeta electrónica PIC K150 Este tarjeta viene acompañado de un software llamado DIY K150 v y juntos permiten grabar el microcontrolador deseado. Una vez conectada la tarjeta al computador vía USB procedemos a abrir el software, la opción Chip Selector permite elegir el microcontrolador a programar, la opción Load permite cargar el código de PWM ajustable previamente construido. Luego se utiliza el botón Program para grabar el código compilado en el Pic.

31 3.2. ETAPA DE DISEÑO 21 Figura 3.14: Software K150 v Figura 3.15: Programación del microcontrolador Pic 16F877A. Probar el programa: En este paso se trata de verificar el funcionamiento el programa, se puede utilizar el programa proteos para ver el buen funcionamiento del código.

32 22 CAPÍTULO 3. DESARROLLO Prototipo de PWM ajustable para pruebas. Figura 3.16: Prototipo de prueba de PWM ajustable [autores] Fuente de entrada DC Esta encargada de alimentar el circuito de potencia y los demás componentes, para este proyecto se utilizó un cargador de computador, Figura 3.17: Adaptador AC/DC [autores]. Características de la fuente de entrada INPUT: A Hz output: 12 V dc - 5A 3.3. Elementos de potencia del convertidor Como se sabe la parte de potencia del convertidor realiza la conversión básica de energía del voltaje de entrada al voltaje de salida, incluyendo switches y el filtro de salida. Comúnmente en el circuito de potencia del convertidor se puede notar un transistor MOSFET de canal

33 3.4. DISEÑO DE LA CARCASA 23 N, un diodo denotado con la letra (D), capacitor(c) y un inductor (L), finalmente una resistencia (R) que representa la carga. A continuación se esbozan los elementos del circuito de potencia. Parámetro Inductores Capacitor Diodo ultra rapido Mosfet de potencia Resistencias Unidad 50, 500, 800 [uh] 330 [uf] FML G 16S IRFZ44N 50, 100, 320 [Ohmios] Tabla 3.2: Elementos de potencia del convertidor Boost Diseño de la carcasa Para la construcción del módulo convertidor DC-DC Boost, se utilizó una caja rectangular, de plástico con el fin de aislar los conductores y elementos de potencia del convertidor. En la figuras 3.24, 3.25 y 3.26 se observa su estructura. Figura 3.18: Diseño del adhesivo del módulo [autores].

34 24 CAPÍTULO 3. DESARROLLO Figura 3.19: Distribución de pines para medición del módulo [autores]. Figura 3.20: Módulo experimental ensamblado [autores]. El modulo convertidor cuenta con: 2 puertos auxiliares (L,RL), donde se pueden colocar cargas de inductancias y resistencias, con el fin de encontrar más puntos de operación. Cuenta con 4 pulsadores, 2 pulsadores para variar ciclo de trabajo y 2 pulsadores para variar frecuencia de conmutación. cuenta con una serie de pines para medir y tomar ( voltajes, corrientes y gráficas).

35 3.5. COSTOS DEL PROTOTIPO 25 Cuenta con una pantalla LCD donde se puede observar los cambios de frecuencia y ciclo de trabajo (seleccionados). Cuentes con 2 entradas para cargador de pc (adaptador), por donde será alimentado con Vcc Al utilizar el modulo Raux equivale a la carga de 100 [Ω] y R L1 a la carga externa (error en el ensamblaje) Costos del prototipo Descripción Valor unitario ($) Cantidad Valor total ($) Fotocopias Lapiz, Borrador etc Protoboard, baquela Otros elementos electrónicos Monitorias - otros Total Tabla 3.3: Costos

36 Capítulo 4 Pruebas y validación del prototipo 4.1. Introducción Al haber terminado la construcción del convertidor se realiza la respectiva simulación en en el software Matlab para tener una apreciación de su comportamiento ademas de poder validar los resultados teórico prácticos; esta simulación se hizo con todos los componentes del convertidor Boost. Se realizaron las pruebas necesarias para comprobar el correcto funcionamiento del circuito de potencia y del PWM, las pruebas están enfocadas en buscar dos puntos de operación del convertidor (operación en modo continuo, operación en modo discontinuo), por último ver la variación del voltaje a la salida Pruebas Modo de conducción continuo Estas pruebas se realizan con el fin de validar lo teórico con lo practico y corroborar el funcionamiento del módulo y puntos de operación. Frecuencia (f) [20-150] khz Voltaje de entrada (Vs) 9 V Voltaje de salida (Vo) 50 Vmax Ciclo de trabajo [0-100 %] Inductancias (L) [ ] uh Resistencias (R) [50-100] [Ω] Tabla 4.1: Especificaciones de diseño A continuación se presenta una serie de tablas que permiten observar el comportamiento del convertidor en modo continuo donde se hace una comparación de los valores teoricos y 26

37 4.2. PRUEBAS 27 lo practicos del convertidor elevador, tambien se calcula su diferencia relativa para tener una mejor percepción para su respectivo análisis. Dif erencia relativa = x y f(x, y) 100 (4.1) donde f puede ser el mayor o menor numero entre x y y. R= 100 [Ω] L= 500 [uh] D [ %] F [Hz] Vo [V] práctico Vo [V] teórico Diferencia relativa % % % R= 100 [Ω] L= 500 [uh] D [ %] F [Hz] Imax [A] práctico Imax [A] teórico Diferencia relativa % % % R= 100 [Ω] L= 500 [uh] D [ %] F [Hz] Imin [A] práctico Imin [A] teórico Diferencia relativa % % % El voltaje que se obtuvo en la salida se tomó mediante el osciloscopio (ref 2542B) y se corroboro FLUKE 112. En la tabla se comparan los resultados de voltajes simulados con los obtenidos en el prototipo y se calcula su diferencia relativa.

38 28 CAPÍTULO 4. PRUEBAS Y VALIDACIÓN DEL PROTOTIPO Datos modo de operación continuo [f=20khz] Ciclo de trabajo [ %] Voltaje teórico [V] Voltaje práctico [V] Diferencia relativa % % % % % % % % % % % % % Las diferencias en voltajes teóricos y prácticos que se pueden observar en la tabla anterior se debe a: Para los datos teóricos los componentes que se trabajan en la simulación son componentes ideales (no hay perdidas), y cada vez que el ciclo de trabajo se acerca a la unidad o el 100 % la tensión de salida se hará infinita. Por otro lado, los datos prácticos tomados del módulo son componentes reales (hay perdidas), debido a esto la tensión de salida nunca sera infinita. Se Procede a analizar el modulo convertidor y, con el fin de averiguar en que modos de operación se encuentra. En las figuras 4.3 y 4.4 se puede observar las gráficas de corriente del módulo.

39 4.2. PRUEBAS 29 Figura 4.1: Corriente en el inductor. Figura 4.2: Corriente en el inductor de 500 [uh]

40 30 CAPÍTULO 4. PRUEBAS Y VALIDACIÓN DEL PROTOTIPO Figura 4.3: Corriente en el inductor de 50 [uh] En las figuras 4.1, 4.2 y 4.3 se muestra la gráfica de la corriente en el inductor, donde se puede observar que está trabajando en modo continuo. Análisis de inductores La gráfica del inductor 1 (fig 4.2) de 500 [uh] y 2 (fig 4.3) de 50 [uh], se puede verificar gracias al osciloscopio (ref. 2542B), que se encuentra en el laboratorio de ingeniería eléctrica. Se puede observar que el módulo está funcionando adecuadamente, ya que se encuentra trabajando en modo continuo Modo de conducción discontinuo La prueba se realiza utilizando las salidas auxiliares del módulo, con el fin de encontrar un punto de operación en modo discontinuo. R= 300 [Ω] L= 800 [uh] D [ %] F [Hz] Vo [V] práctico Imax [A] práctico Imin [A] Práctica Salida auxiliar 1: Se conecta en serie 3 inductores para obtener el valor de L= 800 [uh], para esto se utilizan 3 inductores de valores 100, 200 y 500 [uh] disponibles en el almacén de la faculta de ingenieria eléctrica.

41 4.2. PRUEBAS 31 Figura 4.4: Carga inductiva auxiliar [autores]. Salida auxiliar 2: Resistencias de (220, 270 y 300) [Ω]. Figura 4.5: Carga resistiva auxiliar [autores]. Ciclo de trabajo: 50 % y Frecuencia de 20 [khz]. Como se sabe para esta prueba se utilizan las salidas auxiliares con el fin de encontrar un punto de operación discontinuo, en la figura 4.14, se puede observar la gráfica del inductor 3 (auxiliar) con un valor de 800 [uh] y la carga (auxiliar) de 320 [Ω], donde se aprecia que el modulo opera en modo discontinuo.

42 32 CAPÍTULO 4. PRUEBAS Y VALIDACIÓN DEL PROTOTIPO Las figuras 4.6 y 4.7 muestran que la corriente en el inductor entra en modo discontinuo de acuerdo a lo parḿetros anteriormente mencionados. La figura 4.6 se obtuvo gracias a Matlab-Simulink. Figura 4.6: Corriente en el inductor (modo discontinuo). Figura 4.7: Modo de conducción discontinuo (Cargas auxiliares).

43 Capítulo 5 Conclusiones y recomendaciones CONCLUSIONES Los principales objetivos planteados al principio del proyecto se han cumplido; los resultados experimentales han resultado satisfactorios, las mediciones se aproximan a los valores esperados y las formas de onda son las esperadas con estabilidad necesaria para su correcto funcionamiento. Se ha ejecutado el objetivo principal de este proyecto, el cual fue la construcción del módulo convertidor CD-CD Boost con PWM ajustable, operando y funcionando adecuadamente, el mismo será destinado al laboratorio de ingeniería eléctrica. Se realizó un estudio teórico de los convertidores DC-DC así como de su funcionamiento, de tal manera se obtuvo el conocimiento completo sobre la actividad de los convertidores DC-DC. Realizando un estudio de IGBT S Y MOSFET se obtuvo el conocimiento necesario, de estas manera se pudo construir el circuito de potencia con el MOSFETs más adecuado para este convertidor DC-DC Boost. Revisados todos los equipos y módulos del laboratorio de ingeniería eléctrica y en función de los mismos, el diseño y construcción del convertidor elevador se acopla completamente al laboratorio, tanto en su parte de manipularle como en su funcionamiento, con los equipos existentes sin ningún requerimiento adicional. En función del estudio realizado a los microcontroladores, se pudo encontrar el microcontrolador adecuado para el convertidor DC-DC Boost. RECOMENDACIONES Se recomienda utilizar como fuente DC, cargadores de computadoras o fuentes DC. 33

44 34 CAPÍTULO 5. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES Debido a las corrientes que se manejan es recomendable no utilizar el modulo mas de 3 horas seguidas. Al concluir este trabajo se considera importante el estudio de los convertidores DC-DC y sus efectos, de la misma manera se recomienda estudiar las diferentes configuraciones de estos convertidores para así profundizar y dar alternativas que mejoren y complemente el conocimiento en los temas de la electrónica de potencia.

45 Bibliografía [1] ENRIQUE OGUHEL RAMIREZ ORTEGA. Desarrollo de convertidor cd-cd para supercapacitor con aplicación en tracción elétrica. Instituto Politécnico Nacional, Septiembre [2] 28/40/44-Pin Enhanced Flash Microcontrollers PIC16F87XA. [3] MARCO ANTONIO CARIT QUIRÓS. Diseño y construcción de convertidor boost. Universidad de Costa Rica, Julio [4] LUIS FELIPE BLANCO CATALÁN. Diseño de un sistema para un convertidor de cd-cd como regulador reductor. Instituto Tecnológico de Costa Rica, Junio [5] ROBER WILFRIDO CALAPAQUI O NA and LEONEL SANTIAGO REYES GARZÓN. Diseño y construcción de un módulo didáctico de un conversor ac/dc dc/dc con control pwm, para puente completo utilizando igbts destinado al laboratorio de control eléctrico de la espe extensión latacunga, Septiembre [6] SEBASTIAN CARDONA HERRERA and STEVEN OSPINA HURTADO. Construcción de módulo convertidor cc-cc elevador, para prácticas en el laboratorio del programa ingeniería mecatrónica. UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA DE PEREIRA, [7] JOVANNY BEDOYA GUAPACHA. Metodologias para el aprendizaje de convertidores ac-dc. Universidad Tecnológica de Pereira, Febrero [8] Power electronics. [Esquema]. 3 noviembre de Disponible en la web: 35

46 Apéndice A Circuito imporeso PCB 36

47 Apéndice B Circuito simulado en Proteus 8 Profesional 37

48 38 APÉNDICE B. CIRCUITO SIMULADO EN PROTEUS 8 PROFESIONAL

49 Apéndice C Generación PWM en PIC C Compiler 39

50 40 APÉNDICE C. GENERACIÓN PWM EN PIC C COMPILER

51 41

52 Apéndice D Datasheet FLUKE

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54 Apéndice E Datasheet Mosfet IRFZ44N 44

55 45

56 46 APÉNDICE F. CÓDIGO PWM AJUSTABLE Apéndice F Código PWM ajustable

57 47

58 48 APÉNDICE F. CÓDIGO PWM AJUSTABLE

59 49

60 50 APÉNDICE F. CÓDIGO PWM AJUSTABLE

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62 52 APÉNDICE F. CÓDIGO PWM AJUSTABLE

63 53