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ESCUELA POLITÉCNICA DEL EJÉRCITO SEDE - LATACUNGA INGENIERÍA ELECTRÓNICA INFORME Control electrónico de potencia Nombre: Bedón Kevin Garzón Roberto Tamayo William NIVEL: Séptimo “A” PROFESOR: ING. Franklin Manuel Silva Monteros PERIODO: Agosto 2013 – Diciembre 2013

Contenido OBJETIVO GENERAL .................................................................................................................. 3 OBJETIVOS ESPECÍFICOS ............................................................................................................ 3 RESUMEN ................................................................................................................................. 3 ABSTRACT ................................................................................................................................ 3 MARCO TEÓRICO ...................................................................................................................... 3 MATERIALES ............................................................................................................................. 3 DESARROLLO ............................................................................................................................ 6 CONCLUSIONES ........................................................................................................................ 7 RECOMENDACIONES ................................................................................................................. 9 BIBLIOGRAFIA........................................................................................................................... 9

TABLA DE ILUSTRACIONES ILUSTRACIÓN 1 ESQUEMA BÁSICO DE UN CONVERSOR DC/DC REDUCTOR (MUÑOZ, 2012) ................................................. 5 ILUSTRACIÓN 2 ESQUEMA BÁSICO DE UN CONVERSOR DC/DC REDUCTOR CON EL INTERRUPTOR CERRADO (INTERVALO DE CONDUCCIÓN). (MUÑOZ, 2012) ................................................................................................................... 5 ILUSTRACIÓN 3 ESQUEMA BÁSICO DE UN CONVERSOR DC/DC REDUCTOR CON EL INTERRUPTOR ABIERTO (MUÑOZ, 2012) ......... 6 ILUSTRACIÓN 4 CIRCUITO CONVERSOR DC/DC CON RELACIÓN DE TRABAJO DEL 50%.......................................................... 6 ILUSTRACIÓN 5 FORMA DE ONDA DE VOLTAJE EN LA BOBINA Y LA SALIDA DEL MICROCONTROLADOR SIMULADO PARA UNA RELACIÓN DE TRABAJO DEL 50% .................................................................................................................................. 7 ILUSTRACIÓN 6 FORMAS DE ONDA DE VOLTAJE EN LA BOBINA Y EN LA SALIDA DEL MICROCONTROLADOR MEDIDA PARA UNA RELACIÓN DE TRABAJO DEL 50% ..................................................................................................................... 7 ILUSTRACIÓN 7 SEÑAL DC DE ENTRADA Y SALIDA DEL CONVERSOR DC/DC PARA UNA RELACIÓN DE TRABAJO DEL 50% SIMULADO 7 ILUSTRACIÓN 8 SEÑAL DC DE ENTRADA Y SALIDA DEL CONVERSOR DC/D PARA UNA RELACIÓN DE TRABAJO DEL 50% MEDIDA ...... 7 ILUSTRACIÓN 9 FORMA DE ONDA DE VOLTAJE EN LA BOBINA Y LA SALIDA DEL MICROCONTROLADOR SIMULADO PARA UNA RELACIÓN DE TRABAJO DEL 25% .................................................................................................................................. 7 ILUSTRACIÓN 10 FORMAS DE ONDA DE VOLTAJE EN LA BOBINA Y EN LA SALIDA DEL MICROCONTROLADOR MEDIDA PARA UNA RELACIÓN DE TRABAJO DEL 25% ..................................................................................................................... 7 ILUSTRACIÓN 11 SEÑAL DC DE ENTRADA Y SALIDA DEL CONVERSOR DC/DC PARA UNA RELACIÓN DE TRABAJO DEL 25% SIMULADO .............................................................................................................................................................. 7 ILUSTRACIÓN 12 SEÑAL DC DE ENTRADA Y SALIDA DEL CONVERSOR DC/D PARA UNA RELACIÓN DE TRABAJO DEL 25% MEDIDA .... 7 ILUSTRACIÓN 13 FORMA DE ONDA DE VOLTAJE EN LA BOBINA Y LA SALIDA DEL MICROCONTROLADOR SIMULADO PARA UNA RELACIÓN DE TRABAJO DEL 75% ..................................................................................................................... 8 ILUSTRACIÓN 14 FORMAS DE ONDA DE VOLTAJE EN LA BOBINA Y EN LA SALIDA DEL MICROCONTROLADOR MEDIDA PARA UNA RELACIÓN DE TRABAJO DEL 75% ..................................................................................................................... 8 ILUSTRACIÓN 15 SEÑAL DC DE ENTRADA Y SALIDA DEL CONVERSOR DC/DC PARA UNA RELACIÓN DE TRABAJO DEL 75% SIMULADO .............................................................................................................................................................. 8 ILUSTRACIÓN 16 SEÑAL DC DE ENTRADA Y SALIDA DEL CONVERSOR DC/D PARA UNA RELACIÓN DE TRABAJO DEL 75% MEDIDA .... 8

TEMA Conversor DC/DC reductor (BUCK) para trasformar una tensión continua, en otro nivel de tensión DC menor o igual con una salida de tensión regulada. OBJETIVO GENERAL  Diseñar e implementar un conversor DC/DC para trasformar una tensión continua, en otro nivel de tensión DC menor o igual con una salida de tensión regulada. OBJETIVOS ESPECÍFICOS  Investigar el funcionamiento e implementaciones de un conversor DC/DC.  Diseñar un conversor DC/DC reductor (BUCK).  Implementar un conversor DC/DC reductor para convertir una tensión DC en otro nivel de tensión DC.  Realizar las pruebas correspondientes y obtener las formas de onda de Voltaje para diferentes tipos de cargas.  Analizar los datos obtenidos en la práctica y formular conclusiones y recomendaciones. RESUMEN Es presente trabajo de investigación, realiza el estudio, diseño e implementación de un conversor DC/DC para obtener a su salida un voltaje menor o igual a su salida. Este conversor permite la administración de baterías en sistemas de alimentación ininterrumpida, controlando el flujo de energía y regulando la tensión de alimentación DC durante los diferentes modos de operación de la batería como fuente y suministro. Los convertidores DC/DC son muy utilizados en la industria, gracias a sus numerosas ventajas en el área de conversión de potencia. ABSTRACT This research is, in the study, design and implementation of a DC / DC converter to get in output voltage less than or equal to its output. This converter allows management of batteries in UPS systems, power flow controlling and regulating the DC supply voltage for the different modes of operation of the battery as a source and supply. The DC / DC converters are widely used in the industry, thanks to its numerous advantages in the area of power conversion. MARCO TEÓRICO CONVERSORES DC-DC Los convertidores DC-DC son circuitos que controlan el flujo de energía entre dos sistemas de corriente continua. Se los puede definir como circuitos que controlan la carga y

descarga de sus elementos pasivos almacenadores de energía (condensadores y bobinas) consiguiendo un cambio en el nivel de tensión continua. (scr14) Las Topologías básicas con un solo interruptor de convertidores conmutados: Convertidor reductor (Buck). Convertidor elevador (Boost). Convertidor reductor-elevador (Buck-Boost). Los convertidores de DC/DC se pueden dividir en tres bloques: Conmutación se encarga de trocear la señal de entrada según la frecuencia y el ciclo de trabajo requerido. Acumulación de energía depende estrictamente de la conmutación, ya que este determina cuándo se libera energía hacia la carga del sistema. Filtrado Se encarga de filtrar la señal conmutada. Es importante mencionar las ventajas y desventajas en el uso de convertidores DC/DC como reguladores de tensión. Ventajas: Rendimiento con márgenes entre el 60% y el 90% contra el 14% de las fuentes de alimentación lineales. Tamaño reducido. Desventajas: Generación de emisión electromagnética, tanto conducida como radiada. Aumento de las pérdidas con el aumento de la frecuencia. Aplicaciones Fuentes de alimentación C, Para equipamiento electrónico Control de máquinas eléctricas de corriente continúa. (scr14)

CONVERTIDOR DC-DC REDUCTOR Uno de los temas importantes en el área de potencia son las fuentes de alimentación conmutadas y una de sus configuraciones básicas es el convertidor reductor Buck. El funcionamiento básico de los convertidores conmutados consiste en el almacenamiento temporal de energía y la cesión de esta en un periodo de tiempo. Este periodo de tiempo determina la cantidad de energía cedida a la carga. (Hart, 2001) El convertidor reductor es un convertidor de potencia que obtiene a su salida un voltaje continuo menor que a su entrada. El diseño es similar a un convertidor elevador, también es una fuente conmutada con dos dispositivos semiconductores (transistores(S) y diodo(D)), un inductor(L) y opcionalmente un condensador(C) a la salida. La forma más simple de reducir una tensión continua (DC) es usar un circuito divisor de tensión, pero los divisores gastan mucha energía en forma de calor. Por otra parte, un convertidor Buck puede tener una alta eficiencia (superior al 95% con circuitos integrados) y autorregulación. (Hart, 2001)

Ilustración 1 Esquema básico de un conversor DC/DC reductor (Muñoz, 2012)

Ilustración 2 Esquema básico de un conversor DC/DC reductor con el interruptor cerrado (intervalo de conducción). (Muñoz, 2012)

Ilustración 3 Esquema básico de un conversor DC/DC reductor con el interruptor abierto (Muñoz, 2012)

MATERIALES    

LCD Diodo Opto transistor PIC16f877

   

Osciloscopio Cables de Conexión Resistencias Fuente

DESARROLLO 1) Diseñar el filtro para una frecuencia de corte de 100hz.

√

2) Implementar el circuito conversor DC/DC de la ilustración 4 mostrada a continuación.

Ilustración 4 Circuito Conversor DC/DC con relación de trabajo del 50%

3) Obtener las formas de voltaje en la bobina y en la carga con una relación de trabajo del 50%. SIMULADO

PRACTICO

Ilustración 5 Forma de Onda de Voltaje en la bobina y la salida del microcontrolador simulado para una relación de trabajo del 50%

Ilustración 6 Formas de onda de Voltaje en la bobina y en la salida del microcontrolador medida para una relación de trabajo del 50%

Ilustración 7 Señal DC de entrada Y salida del conversor DC/DC para una relación de trabajo del 50% simulado

Ilustración 8 Señal DC de entrada y salida del conversor DC/D para una relación de trabajo del 50% medida

4) Analizar las formas de onda obtenidas de manera práctica y compararlas con las simuladas para formar las respectivas conclusiones y recomendaciones. 5) Obtener las formas de voltaje en la bobina y en la carga con una relación de trabajo del 25%. SIMULADO PRACTICO

Ilustración 9 Forma de Onda de Voltaje en la bobina y la salida del microcontrolador simulado para una relación de trabajo del 25%

Ilustración 11 Señal DC de entrada Y salida del conversor DC/DC para una relación de trabajo del 25% simulado

Ilustración 10 Formas de onda de Voltaje en la bobina y en la salida del microcontrolador medida para una relación de trabajo del 25%

Ilustración 12 Señal DC de entrada y salida del conversor DC/D para una relación de trabajo del 25% medida

6) Analizar las formas de onda obtenidas de manera práctica y compararlas con las simuladas para formar las respectivas conclusiones y recomendaciones.

7) Obtener las formas de voltaje en la bobina y en la carga con una relación de trabajo del 75%. SIMULADO PRACTICO

Ilustración 13 Forma de Onda de Voltaje en la bobina y la salida del microcontrolador simulado para una relación de trabajo del 75%

Ilustración 15 Señal DC de entrada Y salida del conversor DC/DC para una relación de trabajo del 75% simulado

Ilustración 14 Formas de onda de Voltaje en la bobina y en la salida del microcontrolador medida para una relación de trabajo del 75%

Ilustración 16 Señal DC de entrada y salida del conversor DC/D para una relación de trabajo del 75% medida

8) Analizar las formas de onda obtenidas de manera práctica y compararlas con las simuladas para formar las respectivas conclusiones y recomendaciones. ANALISI DE RESULTADOS Cuando el transistor está cerrado Cuando el transistor conduce el diodo se polariza inversamente y el voltaje en la bobina el igual a la diferencia del voltaje de la fuente menos la tensión de salida ( ), y la corriente comienza a incrementarse linealmente. Cuando el Transistor está abierto Cuando el transistor no conduce el diodo se polariza directamente y la tensión en la bobina es igual a la tensión de salida negativa en la carga, ( ), y la corriente comienza a disminuirse linealmente. Conversor DC/DC  El diodo proporciona un camino a la corriente de la bobina cuando este está abierto (no conduce).  Si la corriente mínima en la bobina es positiva la corriente en el conversor es permanente, es decir que presenta la misma corriente al final y al principio del periodo.  El converso DC/DC reductor produce una salida igual o menor a la entrada, con pequeñas pérdidas debido a la constante conmutación al transistor.

CONCLUSIONES  Los convertidores DC-DC son circuitos que controlan el flujo de energía entre dos sistemas de corriente continua.  Las Topologías básicas de los conversores DC-DC con un solo interruptor son convertidor reductor, elevador y reductor-elevador  El funcionamiento básico de los convertidores conmutados consiste en el almacenamiento temporal de energía y la sesión de esta en un periodo de tiempo.  El convertidor reductor es un convertidor de potencia que obtiene a su salida un voltaje continuo regulado menor o igual que su entrada.  Las frecuencias muy altas en este conversor DC-DC reductor dañaran a los dispositivos debido a las perdidas dinámicas de los mismos.  Un filtro grande es difícil de implementar por lo que es necesario tener una frecuencia alta y constante para no cambiarlo y no tan alta para evitar las perdidas dinámicas y entonces no poder dañar el dispositivo.  El valor de la bobina será calcula de acuerdo a las ecuaciones ya mostradas en esta práctica por lo que si se cambia la frecuencia, cambiara el filtro y por lo tanto el valor de la L.  Cuando el conversor DC-DC reductor no trabaje en conducción continua se debe aumentar el filtro.  Con el interruptor cerrado la tensión en el inductor es VL = Vi − Vo y la corriente aumenta linealmente. El diodo está en inversa por lo que no fluye corriente por él.  Con el interruptor abierto el diodo está conduciendo en directa. La tensión en el inductor es VL = − Vo y la corriente disminuye. RECOMENDACIONES  Utilizara un transistor como interruptor debido a la frecuencia alta que se necesita para obtener el filtro pequeño.  Dimensionar correctamente los elementos puesto que el transistor debe soportar la tensión máxima cuando esta desactivado y la corriente máxima cuando esta activado.  Es necesario utilizar un optotransistor para proteger a nuestro microcontrolador ya que tienen una velocidad de conmutación mayor. BIBLIOGRAFIA Hart, Daniel W. 2001. Electróica de potencia. Electróica de potencia. Madrid : PEARSON EDUCACICÓN S. A., 2001, pág. 472. Muñoz, Stefayi Carolina Garzón. 2012. Análisis de convertidores DC/DC con software libre. Sangolqui : s.n., 2012. scribd. scribd. [En línea] [Citado el: 2013 de Noviembre de 14.] http://es.scribd.com/doc/88817298/Laboratorio-Convertidores-Dc-Dc.