Modelado y Control de Convertidores Electrónicos de Potencia. Introducción

Transcripción

1 Modelado y Control de Convertidores Electrónicos de Potencia Introducción Gabriel Eirea geirea@fing.edu.uy Instituto de Ingeniería Eléctrica Facultad de Ingeniería, Universidad de la República 1

2 Sobre el curso Modelado y Control de Convertidores Electrónicos de Potencia - Introducción 2

3 Datos Administrativos El curso puede tomarse como Actualización profesional Posgrado Grado (con cupos) Carga de trabajo 3 horas semanales de clase 3 repartidos de ejercicios de entrega obligatoria proyecto final con presentación oral y escrita Modelado y Control de Convertidores Electrónicos de Potencia - Introducción 3

4 Horarios Teórico Martes y Jueves 18:30 a 20 hs Salón de Seminarios del IIE Clases de consulta Antes/después de la clase O coordinar por (geirea@fing.edu.uy) Página web Modelado y Control de Convertidores Electrónicos de Potencia - Introducción 4

5 Contenido El objetivo del curso es desarrollar la capacidad de crear modelos matemáticos que describan el comportamiento dinámico de circuitos conmutados utilizar estos modelos para diseñar sistemas de control para dichos circuitos El objetivo del curso no es desarrollar la capacidad de diseñar convertidores de potencia analizar las características de los semiconductores de potencia modelar máquinas eléctricas Se asumirá familiaridad con teoría de circuitos teoría de control principios de electrónica de potencia Modelado y Control de Convertidores Electrónicos de Potencia - Introducción 5

6 Contenido Enfasis en principios de modelado de circuitos conmutados arquitecturas de modulación y control diseño de controladores Aplicaciones reguladores de voltaje módulos separados incorporados en el impreso incorporados en el chip interconexión de módulos (p.ej. paralelización, bus intermedio) cargadores de baterías rectificadores con corrección de factor de potencia inversores para UPS, control de motores, etc. Modelado y Control de Convertidores Electrónicos de Potencia - Introducción 6

7 Temario 1. Introducción. Aplicaciones de la electrónica de potencia. 2. Sistemas convertidores de potencia. Topologías básicas. 3. Modelos promediados. 4. Arquitecturas de control. 5. Aplicaciones representativas. 6. Otras técnicas de modelado. 7. Presentación de proyectos. Modelado y Control de Convertidores Electrónicos de Potencia - Introducción 7

8 Bibliografía Principles of Power Electronics. J.G. Kassakian, M.F. Schlect y G.C. Verghese. Addison Wesley, ISBN Fundamentals of Power Electronics (2nd ed.). R.W. Erickson y D. Maksimovic. Springer, ISBN Modelado y Control de Convertidores Electrónicos de Potencia - Introducción 8

9 Qué espero yo del curso Esta es un área en la que trabajé durante los últimos 5 años tesis de doctorado pasantía en la industria consultoría Trabajo multidisciplinario electrónica de potencia microelectrónica control Objetivos transmitir los conceptos fundamentales generar capacidad de avanzar sobre conceptos más nuevos Oportunidad de hacer desarrollos con valor agregado Modelado y Control de Convertidores Electrónicos de Potencia - Introducción 9

10 Qué esperan ustedes del curso? Nombre Modalidad de curso Trabajo/carrera Expectativas Acceso a PC Modelado y Control de Convertidores Electrónicos de Potencia - Introducción 10

11 Convertidores Electrónicos de Potencia Modelado y Control de Convertidores Electrónicos de Potencia - Introducción 11

12 Convertidores Electrónicos de Potencia Convertidor Electrónico de Potencia Un circuito electrónico que toma energía eléctrica de una fuente y adapta sus características a aquéllas requeridas por una carga. Fuente Conmutada (Switching-Mode Power Supply, SMPS) Un convertidor de potencia que utiliza llaves y componentes reactivos pasivos para realizar la conversión de potencia (idealmente sin pérdidas). Tipos de conversión DC/DC regulador: cambiar y regular voltaje AC/DC rectificador: regular voltaje, controlar corriente de entrada DC/AC inversor: generar sinusoides de amplitud y frecuencia controladas AC/AC cicloconvertidor: cambiar amplitud y frecuencia de sinusoides otros: audio, RF, FACTS Modelado y Control de Convertidores Electrónicos de Potencia - Introducción 12

13 1957: invención del tiristor (SCR) Electrónica de Potencia fecha tomada habitualmente como el nacimiento de la electrónica de potencia 50 años de historia Antecedentes 1906: triodo 1911: rectificador de arco de mercurio 1922: cicloconvertidor 1924: chopper 1947: transistor Desarrollo 1960s: transistores de potencia 1970s: MOSFET de potencia 1980s: GTO, IGBT Modelado y Control de Convertidores Electrónicos de Potencia - Introducción 13

14 Semiconductores de Potencia wikipedia.org Modelado y Control de Convertidores Electrónicos de Potencia - Introducción 14

15 Información y Energía Procesamiento de información Procesamiento de energía d i do i i io + + v i vo Comprende la mayoría de las aplicaciones de la electrónica Sociedad de la información Es necesaria para cualquier aplicación electrónica Está cobrando mayor importancia debido a duración de baterías disipación de calor crisis energética Modelado y Control de Convertidores Electrónicos de Potencia - Introducción 15

16 Aplicaciones: Celulares Diseño heterogéneo Múltiples funciones procesador RF pantalla teclado audio cámara con flash cargador de baterías Objetivo: baterías prolongar la autonomía de las Modelado y Control de Convertidores Electrónicos de Potencia - Introducción 16

17 Aplicaciones: Celulares Modelado y Control de Convertidores Electrónicos de Potencia - Introducción 17

18 Aplicaciones: Microprocesadores Modernos Modelado y Control de Convertidores Electrónicos de Potencia - Introducción 18

19 Aplicaciones: Microprocesadores Modernos Modelado y Control de Convertidores Electrónicos de Potencia - Introducción 19

20 Aplicaciones: Datacenter Distribución de energía eléctrica Modelado y Control de Convertidores Electrónicos de Potencia - Introducción 20

21 Aplicaciones: Datacenter Alimentación ininterrumpida (UPS) Modelado y Control de Convertidores Electrónicos de Potencia - Introducción 21

22 Aplicaciones: Datacenter Minimizar disipación térmica Modelado y Control de Convertidores Electrónicos de Potencia - Introducción 22

23 Aplicaciones: Automóviles Autos híbridos Modelado y Control de Convertidores Electrónicos de Potencia - Introducción 23

24 Aplicaciones: Automóviles Autos eléctricos que se enchufan a la red Modelado y Control de Convertidores Electrónicos de Potencia - Introducción 24

25 Aplicaciones: Automóviles Transitorios en el bus de continua Modelado y Control de Convertidores Electrónicos de Potencia - Introducción 25

26 Aplicaciones: Energía Fuentes de energía alternativas Modelado y Control de Convertidores Electrónicos de Potencia - Introducción 26

27 Aplicaciones: Energía Estabilidad de la red eléctrica Modelado y Control de Convertidores Electrónicos de Potencia - Introducción 27

28 Industria Electrónica Segmentos electrónica de consumo computación (PC/servidores/almacenamiento de datos) comunicaciones industrial aplicaciones médicas militar/aeroespacial automotriz En todos estos segmentos las necesidades de potencia son cada vez más exigentes Modelado y Control de Convertidores Electrónicos de Potencia - Introducción 28

29 Industria de Semiconductores Segmentos componentes discretos optoelectrónica sensores analógica lógica memoria microprocesadores microcontroladores DSP FPGA Modelado y Control de Convertidores Electrónicos de Potencia - Introducción 29

30 Industria de Semiconductores Segmentos componentes discretos optoelectrónica sensores analógica lógica memoria microprocesadores microcontroladores DSP FPGA Modelado y Control de Convertidores Electrónicos de Potencia - Introducción 30

31 Gerenciamiento de Potencia Acondicionamiento de potencia para circuitos electrónicos modernos debe cumplir las siguientes funciones: proveer múltiples voltajes de alimentación generar una secuencia de encendido/apagado monitoreo del desempeño del sistema detección de fallas adaptación a distintas condiciones de carga protecciones Las fuentes de alimentación pueden ser integradas al diseño de sistema módulos separados del resto del sistema Modelado y Control de Convertidores Electrónicos de Potencia - Introducción 31

32 Gerenciamiento de Potencia Estas funciones se proveen por medio de componentes pasivos (inductancias, condensadores) semiconductores discretos (transistores, diodos) drivers circuitos integrados controladores microcontroladores supervisadores Las principales categorías de convertidores son AC/DC externos (cargadores de batería y adaptadores) AC/DC front-end rectificadores DC/DC aislados ( bricks ) DC/DC no aislados (POL, VRM) Modelado y Control de Convertidores Electrónicos de Potencia - Introducción 32

33 Gerenciamiento de Potencia: Mercado Modelado y Control de Convertidores Electrónicos de Potencia - Introducción 33

34 Gerenciamiento de Potencia Tendencias voltaje corriente variaciones de corriente potencia densidad de potencia frecuencia de conmutación eficiencia costo capacidad de control capacidad de comunicación control digital integración a nivel de sistema diseño térmico Modelado y Control de Convertidores Electrónicos de Potencia - Introducción 34

35 Circuitos de estructura variable Características Dinámicas Modelado y Control de Convertidores Electrónicos de Potencia - Introducción 35

36 Circuitos de estructura variable Características Dinámicas Para funcionar la estructura debe cambiarse continuamente + V o ( ) = V i + V o ( ) = 0 Modelado y Control de Convertidores Electrónicos de Potencia - Introducción 36

37 Características Dinámicas Circuitos de estructura variable Para funcionar la estructura debe cambiarse continuamente En cada estructura la dinámica es lineal o suavemente no lineal Modelado y Control de Convertidores Electrónicos de Potencia - Introducción 37

38 Características Dinámicas Circuitos de estructura variable Para funcionar la estructura debe cambiarse continuamente En cada estructura la dinámica es lineal o suavemente no lineal Acción de control es usualmente la configuración de las llaves u : R {0, 1} N Modelado y Control de Convertidores Electrónicos de Potencia - Introducción 38

39 Características Dinámicas Circuitos de estructura variable Para funcionar la estructura debe cambiarse continuamente En cada estructura la dinámica es lineal o suavemente no lineal Acción de control es usualmente la configuración de las llaves u : R {0, 1} N No todas las configuraciones son posibles (ej. cortocircuitos) + + Modelado y Control de Convertidores Electrónicos de Potencia - Introducción 39

40 Características Dinámicas Circuitos de estructura variable Para funcionar la estructura debe cambiarse continuamente En cada estructura la dinámica es lineal o suavemente no lineal Acción de control es usualmente la configuración de las llaves u : R {0, 1} N No todas las configuraciones son posibles (ej. cortocircuitos) Puede haber cambios de configuración autónomos (ej. diodos) Modelado y Control de Convertidores Electrónicos de Potencia - Introducción 40

41 Diagrama General Filtro de Entrada Tren de Potencia Filtro de Salida Carga Accionadores Variables Control Eléctricas Variables Mecánicas Modelado y Control de Convertidores Electrónicos de Potencia - Introducción 41

42 Ejemplo: Convertidor Buck Modelado y Control de Convertidores Electrónicos de Potencia - Introducción 42

43 Convertidor Buck L S i L V i S 2 C vc Carga S 1 S 2 i L v C Conmutación periódica: período T S 1 conduce durante DT S 2 complementario a S 1 D es el ciclo de trabajo (D [0, 1]) conocido como modulación de ancho del pulso (PWM) Modelado y Control de Convertidores Electrónicos de Potencia - Introducción 43

44 1.5 1 Comportamiento Dinámico Respuesta al escalón de carga del convertidor buck u x i L (A) x v C (V) t(s) x 10 4 Modelado y Control de Convertidores Electrónicos de Potencia - Introducción 44

45 Tipos de Modelos Dinámicos Modelo conmutado Modelo promediado Modelo de tiempo discreto Modelo conmutado: preciso pero lento y difícil de analizar Modelo promediado: fácil de analizar pero pierde información de riple Modelo en tiempo discreto: exacto en instantes de muestreo Modelado y Control de Convertidores Electrónicos de Potencia - Introducción 45

46 Realimentación con Modelo Lineal v i As Se puede diseñar K de forma de obtener la respuesta de lazo cerrado deseada. io Zo vo Problema sencillo de control clásico: d Gv K + vr A CL s = Z CL o = A s 1 + KG v Z o 1 + KG v PERO: el modelo lineal es válido para variaciones pequeñas y relativamente lentas de las señales (ĺımite práctico: BW < f s 6 ) Modelado y Control de Convertidores Electrónicos de Potencia - Introducción 46

47 Ejemplo de Diseño Escalón de 10A en la corriente de salida v o (s) Modelo conmutado Modelo lineal t(s) x 10 4 Modelado y Control de Convertidores Electrónicos de Potencia - Introducción 47