DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE UN CONVERTIDOR ESTÁTICO: TROCEADOR ELEVADOR DE TENSIÓN (BOOST/STEP-UP) Y PUENTE INVERSOR MONOFÁSICO.

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1 DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE UN CONVERTIDOR ESTÁTICO: TROCEADOR ELEVADOR DE TENSIÓN (BOOST/STEP-UP) Y PUENTE INVERSOR MONOFÁSICO. M.C. Rodolfo Rubén Treviño Martínez rrtrevino@hotmail.com M.C. Catarino Alor Aguilar calor26@hotmail.com M.C. Manuel Munguía Macario mungmac@gmail.com Rolando Montemayor Garza, Julio César Aldana Almanza, Franco Ariel Chacón Ceballos Mauricio Guajardo Mendoza, José Javier Pérez Díaz. Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica, Universidad Autónoma de Nuevo León, Avenida Universidad s/n, Ciudad Universitaria, San Nicolás de los Garza, Nuevo León, México. RESUMEN El objetivo de este proyecto es la implementación y el estudio del funcionamiento de los conmutadores para utilizarlo en la realización de un proyecto de diseño de sistemas electrónicos de potencia, que consta de hacer un convertidor estático, el cual se compone de dos etapas: un elevador de voltaje y un ondulador. El convertidor se suministra con un voltaje de entrada de 12 V de directa y mediante la conmutación de interruptores (MOSFET) y lógica PWM diseñada en LabVIEW, entrega en la salida un voltaje mayor de alterna. Palabras Clave Convertidor, Elevador, Ondulador, LabVIEW. ABSTRACT The goal of this project is the implementation and study of the operation of the switches in order to use them in the realization of a design of power electronic systems, consisting of making a static converter, which consists of two stages: an elevator Voltage and an inverter. The converter is supplied with a direct input voltage of 12 V and through the switching MOSFET of switches and PWM logic designed in LabVIEW, delivers a higher alternating voltage at the output. KEYWORDS Converter, Elevator, Undulator, LabVIEW. 1

2 INTRODUCCIÓN La tecnología se ha visto en la necesidad de ir evolucionando exponencialmente para satisfacer las necesidades de la población. El campo de la electrónica se ha encargado de desarrollar nuevas aplicaciones que faciliten la vida cotidiana de las personas. La electrónica de potencia, siendo una rama de la electrónica con un vasto crecimiento y una gran importancia, ha sido un campo de interés a través del cual se acoplan sistemas para realizar determinadas funciones. Este proyecto abarca los convertidores estáticos, que entran dentro del estudio de la electrónica de potencia. Realizamos un convertidor compuesto de dos etapas: elevador y ondulador. Los convertidores de DC son comúnmente utilizados en el control de motores de tracción en automóviles eléctricos, tranvías, grúas marinas, montacargas y otros tipos de medios de transporte; con esto podemos la gran importancia que tienen en la vida diaria este tipo de convertidores. Estos convertidores con partes integrales de la conversión de energía en el área de energías renovables. El convertidor elevador se utiliza en estructuras de potencia que acondicionan un nivel de corriente directa a otro nivel de corriente directa más elevada. En la mayoría de los casos sus aplicaciones están orientadas a fuentes de poder o en sistemas de potencia fotovoltaicos como primeras etapas de acondicionamiento de potencia, unos de los principales problemas que presentan este tipo de topologías al diseñador es la estabilidad del sistema a perturbaciones de entrada y salida. Los convertidores de voltaje DC-DC juegan dentro de la tecnología actual un papel fundamental, actúan como puentes de transferencia de energía entre fuentes y cargas, ambas de corriente continua, que no son compatibles por naturaleza En cuanto a los convertidores DC-AC, también llamados inversores, tienen como función principal cambiar un voltaje de entrada de DC a un voltaje simétrico de salida de AC con una frecuencia y magnitud deseada, esto se logra variar mediante los componentes del circuito realizado, a través de cálculos y simulaciones. Para obtener un voltaje de salida variable se realiza un control de modulación por ancho de pulso (PWM) dentro del inversor. En los inversores podemos tener en la salida señales de voltaje de onda cuadrada para aplicaciones de baja y de mediana frecuencia. En conjunto, el elevador de voltaje y el inversor logran el acoplamiento de una señal de entrada para poder ser utilizada en aplicaciones que requieran un mayor voltaje que sea de corriente alterna. JUSTIFICACIÓN El presente proyecto consta de dos partes fundamentales para su funcionamiento, las cuales constituyen topologías prediseñadas en el ámbito de la Electrónica de Potencia para el tratamiento de señales de energía, manipulando magnitudes de voltaje y corriente, así como de polaridad bajo el principio de la conservación de la potencia. El control se basa en un PWM para el control de un elevador de voltaje, mismo que mediante una señal de retroalimentación de la señal de salida del mismo, permite un control automático para la estabilización en un voltaje deseado. El control de la parte de inversor se basa en la tecnología SPWM que se basa en la comparación de una señal cuadrada y una señal triangular, para obtener una modulación de ancho de pulso que incrementa o decrementa de tal manera que se genera un voltaje RMS análogo al de una señal sinusoidal. 2

3 METODOLOGÍA Lc = L = k(1 k)2 R 2f a) Elevador de Voltaje Para conocer los valores de la inductancia y el capacitor a utilizar, primero especificamos los parámetros de nuestro convertidor. Cálculos de los valores críticos: Cc = C = = 0.8(1 0.8) (20000) Voltaje de entrada (Vs) 12 V Voltaje de salida promedio (Va) Va 60 V Frecuencia de conmutación (f) 20 KHz Ciclo de trabajo (k) 0.1 < k < 0.8 Resistencia de carga (R) 1k Ω R = 0.8 mh (1) k = 0.8 = 0.02uF (2) 2fR 2(20000)(1000) Por lo tanto, se utilizaron valores de 1.2 mh y de 10 uf. Para el inductor se utilizó un transformador, cuya inductancia fue medida con un NI ELVIS y mostrado en la siguiente imagen. Otras fórmulas utilizadas: fs = 20kHz (3) Ts = = s (4) k = 1 Vs = 1 12v = 0.8 (5) Va 60v Figura 1. Medición de la inductancia a utilizar con NI t1 = kts = (0.8)(0,00005s) = s (6) R = 1000 Ω (7) Ia = Va = 60V = 60mA (8) R 1000Ω Is = L = Vs Is Ia = 0.06A = 0.3A (9) 1 k v t1 = ( s) = 1.6mH (10) 0.3A C = Ia (0.06A) t1 = ( s) = 9.6uF (11) ΔVc (0.25) 3

4 El circuito utilizado para esta etapa fue el siguiente: Figura 2. Parte 1 del elevador en Los Amplificadores Operacionales fueron utilizados para la retroalimentación del elevador y el control del mismo. Figura 3. Parte 2 del elevador en PROTEUS Se introduce un voltaje de 12 volts de DC, y mediante una bobina, un MOSFET IRF630, un Diodo Schotky de Potencia (Integrado STPS3045CW), un capacitor, así como lógica PWM asistida por un MyDAQ programado en LabVIEW se consiguió elevar el voltaje. En la programación en LabVIEW, utilizamos un ciclo de trabajo de 0.8 y una frecuencia de 20kHz. Los pulsos generados son los siguientes: Figura 4. PWM medido con NI Mydaq 4

5 b) Inversor Figura 5. Parte 1 del Inversor en PROTEUS Para el inversor, de igual manera se utilizaron Amplificadores Operacionales para su control y su retroalimentación. Figura 6. Parte 2 del Inversor en PROTEUS 5

6 Para poder comenzar con la generación del SPWM comparamos una onda senoidal con una triangular. Figura 7. Generación de la Onda Triangular Figura 8. Generación de la Onda Senoidal 6

7 Para poder generar el SPWM invertimos la senoidal obtenida para generar 2 ondas diferentes con una misma señal del MyDAQ. Para realizar esto utilizamos un inversor de ganancia unitaria y gracias a esto pudimos utilizar otros pines del MyDaq para otras funciones. Figura 9. Onda Senoidal Invertida para la generación del SPWM Realizamos varias pruebas comparando la senoidal con la triangular para observar los resulados obtenidos. Figura 10. Comparación de la Onda Senoidal con la Triangular 7

8 Debido que al comparar la senoidal con la triangular afectaría el semiciclo negativo de las dos ondas senoidales, decidimos recortarlas para usar solamente el semiciclo positivo de estas. Como se puede observar en la siguiente imagen, al leer la salida del comparador con el osciloscopio del MyDaq se puede observar que durante el semiciclo negativo de la onda senoidal no conmuta, por lo que su aportación al SPWM es nula. Figura 11. SPWM generado Esta es la señal de control para un solo MOSFET, por lo que realizando el mismo procedimiento junto con la senoidal invertida. Como se puede observar en el siguiente gráfico: Figura 12. SPWM complementario 8

9 Programación utilizada Figura 13. Block Diagram principal utilizado. Figura 14. Front Panel principal utilizado. 9

10 RESULTADOS Se puede destacar del gráfico anterior que ambas señales del SPWM que se generaron están desfasadas 180 una con respecto a la otra con lo cual nos asegura que en to momento los MOSFET tendrán un control complementario. Para finalizar el diseño, conectamos la señal del SPWM generada al inversor de puente completo que realizamos con MOSFET s de potencia y se pudo observar las siguiente señal que se observa que tiene una frecuencia de 60 Hz. En la siguiente gráfica se puede observar todos los resultados obtenidos a través de las etapas de nuestro proyecto, tales como la amplitud de la senoidal de salida obtenida en el elevador y el control total de dicha senoidal con el inversor. El valor medio de los pulsos mostrados en la gráfica anterior, se asemeja a la gráfica de la corriente alterna, por lo que comprobamos que nuestra señal de salida ha sido aumentada y ondulada. Figura 15. Señal senoidal simulado por SPWM (a) (b) Figura 16. (a) & (b) Sistema terminado 10

11 CONCLUSIONES Los convertidores estáticos fungen un papel de suma importancia en el acoplamiento señales para realizar funciones específicas; en este proyecto, analizamos el convertidor elevador y el ondulador, para de esta manera con una entrada de 12 v de directa tener en la salida un voltaje mayor de alterna y con ello aplicarlo a una carga. Una de las aplicaciones de la electrónica de potencia se encuentra en el campo de energías renovables, ya que diferentes tipos de convertidores estáticos han sido utilizados para lograr un mayor aprovechamiento de las fuentes naturales, y con ello dejar atrás los combustibles fósiles que tanto han dañado al planeta. Mediante este trabajo pudimos observar la importancia de los convertidores estáticos y la conmutación, así como aprendimos acerca de los usos que se le pueden dar a la misma. Se puede utilizar un convertidor para regular voltaje en modo de conmutación y para transferir energía. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS Neamen, Donald. (4 ed). (2012). Dispositivos y Circuitos Electrónicos. México D.F. McGrawHill. Boylestad, Robert. (10 ed). (2009). Electrónica: Teoría de Circuitos y Dispositivos Electrónicos. Edo. De México. Person. Franco, Sergio. (3 ed). (2005). Diseño con Amplificadores Operacionales y Circuitos Integrados Analógicos. México D.F. McGrawHill Ballester, Eduard; Piqué, Robert. (1 ed). (2012). Electrónica de Potencia, Principios Fundamentales y Estructuras Básicas. México D.F. Alfaomega. Rashid, Muhammad, H. (4ed). (2015). Electrónica de Potencia. México D.F. Pearson Education. Prentice Hall. Hayt, William. (4 ed.). (1988). Análisis de Circuitos en Ingeniería. Edo. De México. McGrawHill. Savant, Jr., C.J., Roden, M.S., Carpenter, G.L (3ed). (2000). Diseño electrónico, circuitos y sistemas. Edo.de México. Pearson. 11