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DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE UN CONVERTIDOR ESTÁTICO: TROCEADOR
ELEVADOR DE TENSIÓN (BOOST/STEP-UP) Y PUENTE INVERSOR MONOFÁSICO.
M.C. Rodolfo Rubén Treviño Martínez [email protected]
M.C. Catarino Alor Aguilar [email protected]
M.C. Manuel Munguía Macario [email protected]
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, 66455 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.
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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.
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METODOLOGÍA
a) Elevador de Voltaje
Para conocer los valores de la inductancia y el capacitor a utilizar, primero especificamos los
parámetros de nuestro convertidor.
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
Cálculos de los valores críticos:
𝐿𝑐 = 𝐿 =𝑘(1−𝑘)2𝑅
2𝑓=
0.8(1−0.8)21000
2(20000)= 0.8 𝑚𝐻 (1)
𝐶𝑐 = 𝐶 =𝑘
2𝑓𝑅=
0.8
2(20000)(1000)= 0.02𝑢𝐹 (2)
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 = 1
20000= 0.00005𝑠 (4)
𝑘 = 1 −𝑉𝑠
𝑉𝑎= 1 −
12𝑣
60𝑣= 0.8 (5)
𝑡1 = 𝑘𝑇𝑠 = (0.8)(0,00005𝑠) = 0.00004𝑠 (6)
𝑅 = 1000 Ω (7)
𝐼𝑎 = 𝑉𝑎
𝑅=
60𝑉
1000Ω= 60𝑚𝐴 (8)
𝐼𝑠 = 𝐼𝑎
1−𝑘=
0.06𝐴
1−0.8= 0.3𝐴 (9)
𝐿 = 𝑉𝑠
𝐼𝑠𝑡1 =
1.2𝑣
0.3𝐴(0.00004𝑠) = 1.6𝑚𝐻 (10)
𝐶 = 𝐼𝑎
𝛥𝑉𝑐𝑡1 =
(0.06𝐴)
(0.25)(0.00004𝑠) = 9.6𝑢𝐹 (11)
Figura 1. Medición de la
inductancia a utilizar con NI
Elvis
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El circuito utilizado para esta etapa fue el siguiente:
Los Amplificadores Operacionales fueron utilizados para la retroalimentación del elevador
y el control del mismo.
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 2. Parte 1 del elevador en
PROTEUS
Figura 3. Parte 2 del elevador en PROTEUS
Figura 4. PWM medido con NI Mydaq
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b) Inversor
Para el inversor, de igual manera se utilizaron Amplificadores Operacionales para su control
y su retroalimentación.
Figura 5. Parte 1 del Inversor en PROTEUS
Figura 6. Parte 2 del Inversor en PROTEUS
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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
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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
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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.
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 11. SPWM generado
Figura 12. SPWM complementario
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Programación utilizada
Figura 13. Block Diagram principal utilizado.
Figura 14. Front Panel principal utilizado.
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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.
(a) (b)
Figura 15. Señal senoidal simulado por SPWM
Figura 16. (a) & (b) Sistema terminado
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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.