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UNIVERSIDAD DE CUENCA FACULTAD DE INGENIERIA CONVERTIDOR DE POTENCIA TIPO BUCK Marco F. González, Esteban R. Cardoso
(Resumen/Abtract).- En el presente informe se realizara la implementación de una fuente conmutada reductora tipo buck, para la cual se trabajara con el modelo matemático, además además se implementara implementara vía software tanto tanto a lazo abierto como a lazo cerrado.
I.
I NTRODUCCIÓN
Los convertidores DC-DC son circuitos capaces de transformar niveles de voltaje en otros usando, ya sea elevando o disminuyendo su valor de voltaje; usando elementos como bobinas y capacitores, estos circuitos, almacenan temporalmente energía y la descargan de tal forma que los niveles de voltaje final sean los buscados.
Objetivos segundarios
Estudiar el funcionamiento de los convertidores de potencia Analizar analíticamente el convertidor tipo Buck Simular los diferentes circuitos en Proteos y Matlab Desarrollar en implementar un sistema de control para un convertidor convertidor tipo Buck. Buck. Construir un convertidor tipo Buck III.
MARCO TEÓRICO
En un tiempo t1 la energía es almacenada y después, en otro tiempo t2, conmuta y esa misma energía es Convertidores BUCK descargada en la salida. Este proceso se repite una y otra vez. por esta razón se los conoce como circuitos de conmutación. Hay muchos tipos de convertidores DC/DC dependiendo de la necesidad, entre los más comunes están los BUCK y el BOOST; pero también existen los: cuk, buck-boost, sepic, etc. Los convertidores convertidores DC-DC se se usan como fuente de alimentación y entre sus ventajas esta su Fig 1 Esquema equivalente del convertidor BUCK eficiencia que es mayor al 80% en comparación con los reguladores lineales que oscila entre 40% y 60%, en otras Un convertidor tipo BUCK el aquel en su salida palabras, si se requiere una fuente de gran potencia, el presenta un voltaje menor al voltaje de entrada, por esta calor disipado por la fuente “conmutada” es mucho menor razón se lo conoce como convertidor reductor. Este tipo que la que disiparía una fuente lineal de características de conversión DC-DC es un problema muy habitual en semejantes, ya que toda la energía (o casi toda) es electrónica, donde generalmente recurrimos al clásico transferida. 7805 cuando buscamos un voltaje de 5Vo al LM317 cuando queremos voltaje variable, pero usar este tipo de elementos significa una eficiencia demasiado baja a lo deseado, por esta razón nace la necesidad de crear un II. OBJETIVOS convertidor reductor de alta eficiencia. Objetivo principal
Los elementos básicos usados en este tipo de convertidores son: la fuente de entrada, un transistor Desarrollar y controlar un convertidor tipo (mosfet canal p), bobinas (inductancias), diodos , BUCK capacitores y un circuito oscilador pwm. pwm.
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Para diseñar este tipo de convertidor, debemos realizar el análisis del circuito en dos partes: cuando el transistor conduce y deja pasar corriente de la fuente de entrada y cuando el transistor aísla la fuente.
con respecto a la frecuencia. Por convención usaremos el estado de conducción como base, será nuestro ciclo de trabajo. Por lo tanto usaremos para conmutar el transistor un circuito oscilador en el que podamos cambiar su ciclo de trabajo, es decir un circuito de oscilación pwm. El PWM es la modulación por ancho de pulsos de una señal o fuente de energía, es una técnica en la que se modifica el ciclo de trabajo de una señal periódica (una senoidal, por ejemplo), ya sea para transmitir información a través de un canal de comunicaciones, o para controlar la energía que se envía a una carga.
El ciclo de trabajo de una señal periódica es el ancho relativo de su parte positiva en relación con el periodo. Cuando el transistor conduce, la corriente va desde la Expresado matemáticamente: fuente de entrada hasta el capacitor, cargando a su paso la bobina. Por lo tanto, por las leyes de kirchhoff, nos queda: Fig2 Circuito estado “on”
= 1
Donde: D es el ciclo de trabajo t1 es el tiempo en que la función es positiva (ancho del Como se puede apreciar, el diodo no conduce, ya que pulso) en ese momento esta polarizado inversamente. En este T es el periodo de la función estado (estado ON) la función del circuito es cargar la bobina, el cual es el principal elemento de almacenamiento de energía, además de alimentar el Debido a la conmutación de este tipo de circuito, la circuito de carga con el voltaje suficiente por medio del tensión de salida presentara un rizado; este rizado capacitor. depende directamente de los valores de L y C, los cuales a su vez dependen de la frecuencia de conmutación. El uso de un buen sistema de control para la señal PWM nos permite modelar un convertidor mucho más eficaz, tanto en eficiencia, calidad, tamaño y costo. ELECCION DEL INDUCTOR
El inductor tiene un valor nominal de 150µHr, pero además tiene una resistencia asociada, RL. El efecto de Cuando el transistor se pone en un estado de corte este resistor es provocar una caída de tensión continua en “estado off”, es decir, la fuente principal de energía no bornes de la bobina proporcional a la corriente media alimenta el circuito. En ese momento se aprovecha la que circula a través de ella. Por lo tanto, en el caso de energía del inductor, almacenada en forma de campo corriente mínima, la caída de tensión ser ‘a pequeña y la magnético, para hacer circular una corriente por el tensión de salida del convertidor no diferir ‘a mucho del circuito. Esta corriente sigue alimentando al capacitor y valor ideal. En el caso de corriente máxima la caída de mantiene el nivel de voltaje a la salida. Por lo tanto, por tensión continua en RL será mayor, y la tensión de salida del convertidor se verá reducida en una cantidad vo · las leyes de kirchhoff, nos queda: RL. Debemos elegir una bobina con la menor resistencia serie posible. Una vez elegida hay que estimar la caída de tensión que produce, y, si es necesario, aumentar el ciclo de trabajo, D, para retornar la Vo a su valor idea Ahora bien, entre estos dos estados, de conducción y no conducción es como se transforma el voltaje de entrada al de salida. Al conmutar entre estados, a una frecuencia DISEÑO DE LA BOBINA fija, la conversión dependerá de cuánto dura cada estado Fig3Circuito estado “off”
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IV.
PROCEDIMIENTO
Uno de los criterios más importantes es el diseño de la bobina ya que esta la tiene que crear el diseñador debido Modelo matemático de la planta. a que lomas probable es que no se consiga comercialmente debido a sus características, por Cuando conmutación S ON (0
tON
)
La ecuación general para determinar el número devueltas de una bobina tipo toroide está dada por:
= 0.0002∗ ∗ℎ ∗ln
L=1mH ur=10: permeabilidad del núcleo de ferrita h=0.01m altura toroide. dext=0.04m lint=0.036m con lo cual N=21.78=22 vueltas.
Fig5 Formas de onda en el inductor L.
Fig4 dimensionamiento del inductor.
Ahora se debe determinar el calibre del alambre ya que de este depende la corriente que pueda soportal la bobina .Para ello se debe determinar la sección del núcleo y Donde dependiendo de esto se observa en la tabla general de características para el cálculo de transformadores el calibre del alambre como se muestra a continuación :
= = 3.339 = 1.13
En donde D es un valor que puede variar entre 2.5 y 3A/mm de acuerdo a esto se tiene que la sección del núcleo es: Para lo cual como se tomó una corriente rms de 3.39A se optó por un conductor calibre AWG 16 o 17
= = 1 ∫ = 1 ∗
=
Cuando S OFF (DTsw
= 1 = ∫ = ∗ = ∗
Si igualamos las curvas las áreas A y B
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= 1 ∗ = 30∗ = = 48 = 0.625 ∆ = 0.1% = 9Ω
0
Con lo cual se obtiene el ciclo de trabajo:
Para un rizo de tensión de: Para W=100w
Y una frecuencia de conmutación de 5Khz
Calculamos el valor mínimo de inductancia requerida:
= 12 = 10.256000259 = 337.5 = 1.25∗337.5 = 421.9
Para asegurar una continuidad en la corriente establecemos un rango de seguridad del 25%
Corriente pico en el condensador:
= ∆2 = 2.225 = 1.125 = 30
Tensión máxima en el interruptor (IGBT) y el diodo:
Para la etapa del PWM se utilizara el integrado 555 con el cual obtendremos una frecuencia de conmutación de 40Khz a través del siguiente circuito. Esta configuración es la que produce en su salida una secuencia de pulsos, un tren de pulsos, cuya frecuencia depende de los valores de las resistencias R1 y R2 y del condensador C
Un valor aceptable puede ser de 1mH.
Calculamos el valor medio de la corriente y el valor de la variación de corriente en la inductancia:
= 390 = 3.33 = 4830−)(5∗10 0.625) = 2.25 ∆ = ( )( ) = (1∗10 1. 4 4 = ∆ . 1+22∗ = = ∆+ = =3.33.333+2.25 = =2.4.24055 2 2 1. 4 4 = = 5 − 1 500+2690 ∗0. 1 ∗10 = + ∆√ = 81∆ = 81 ∗10−10.0.600125 5000 = 1.875
Corriente máxima y mínima en la inductancia: A
Valor de corriente eficaz:
Fig6 circuito PWM
Para valore comerciales tendremos: R1=1500Ω R2=680Ω C=0.1uF
=3.39A
CALCULO DE DISIPADORES:
Para el valor mínimo del condensador tenemos:
Para la implementación usaremos un valor comercial de 22uF.
Dada la potencia del convertidor buck y las características del transistor IGBT, para el cálculo del disipador consideramos los siguientes datos: potencia de trabajo 140w, temperatura ambiente 20 grados centígrados, R thj-c=1.5, Tj=320oc/w, disipador de silicona y R thc-d=1.2oc, entonces se obtuvo los siguientes resultados:
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Resistencia térmica R th-amb del disipador:
− = 32020 1 . 5 1. 2 = 0. 6 4 140 = 140∗1.5 = 210 − = = 140∗1.2 = 168 = 210 , = 320210 = 110 = 168 , = 58
COSTO DE IMPLEMETACION DEL PROYECTO POR ELEMENTO:
Para la temperatura entre la unión y el encapsulado obtuvimos:
La temperatura entre el encapsulado y disipador fue:
Elemento
precio
Transformador
$45.00
Puente rectificador
$3.50
Condensadores Transistor IGBT
$6.00 $7.00
Diodos de potencia
$0.80
Resistencias varias
$0.65
Cajas
$5.00
Placa
$3.00
Impresión placa
$10.00
Ventilador
$4.00
Bobina
$12.00
Microchip
$7.00
Placa perforada
$1.00
Disipador
$0.90
Articulos varios
$10.00
TOTAL
$115.85
La temperatura del encapsulado calculada fue:
La temperatura entre el encapsulado y el disipador calculada fue: 168-110= Obtenidos estos datos el disipador con mejores características para el uso en la fuente buck fue el disipador he310. SIMULACIONES:
V.
Fig7 simulación en proteus.
Fig8. Salida señal PWM.
CONCLUSIONES
Los convertidores de potencia ya sean reductores como el Buck o elevadores como el Boost son de gran utilidad en electrónica de potencia, debido a su gran rango de variación de voltaje En este tipo de fuentes, el PWM es uno de los principales componentes para su funcionamiento. La eficiencia de los convertidores de potencia depende de la frecuencia de conmutación del PWM EL transistor IGBT actúa a manera de switch controlado por la señal de pulsos del PWM. Debido al acción del IGBT de conmutar el circuito, a este tipo de fuentes se les conoce también con el nombre de fuentes conmutadas. El cálculo de la bobina dependerá de la frecuencia de conmutación. Se puede realizar el control de este tipo de fuentes mediante el uso de controladores tipo PI mediante el censado del voltaje de salida. El control PI actuaria directamente sobre la frecuencia de conmutación del circuito.
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Debido a la potencia manejada en estos circuitos es indispensable el uso de disipadores de calor. VI.
RECOMENDACIONES
Ya que las corrientes y voltaje usados en este tipo de fuentes, se debe tener cuidado al elegir elementos de acuerdo a la potencia a manejar, caso contrario estos elementos se sobrecalentarán o dañarán. Se debe tener en cuenta la frecuencia del PWM a usarcé en el circuito, ay que de este depende las características de la bobina. Se debe tener una buena disipación de calor, ay que una mala disipación de los elementos del circuito, podrían causar daños importantes en el mismo Es indispensable implementar señales luminosas que indiquen si la fuente está encendida o no, esto ayudara a evitar posible cortocircuito de la fuente y daños en la misma. VII.
REFERENCIAS
Libros:
[1] Guía de prácticas de laboratorio – sn. Virtual:
https://es.scribd.com/doc/95507497/DISENO-EIMPLEMENTACION-DE-UN-CONVERTIDOR-DC-DCTIPO-BUCK-EN-LAZO-ABIERTO https://nomadaselectronicos.wordpress.com/2015/04/12/conve rtidores-dcdc-buck/ VIII.
BIOGRAFÍA
Esteban R. Cardoso Nacido el 16 de
septiembre de 1994 en Cuenca-Azuay, realizó sus estudios secundarios en el colegio Iberoamericano San Agustín, donde obtuvo el título de bachiller en la especialidad de Ciencias Básicas. Actualmente está cursando sus estudios universitarios en la Universidad de Cuenca en la Carrera de Ingeniería Eléctrica.
Marco F. González , nació en Azogues-Ecuador
el 28 de mayo de 1994. Realizó sus estudios secundarios en el colegio Luis Rogerio González (Azogues), donde obtuvo el título de Técnico Industrial Especialización instalaciones, Equipos y maquinas eléctricas. En el año 2012 Ingresó a la universidad de Cuenca y actualmente se encuentra cursando la carrera de ingeniería eléctrica.
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ANEXOS
Ilustración 6Implementación de Convertidor Buck
Ilustración 4 Armado del circuito oscilador
Ilustración 5 Pruebas realizadas con el Transformador
Ilustración 7 Armado en caja del Circuito Buck
Ilustración 8 Fuente Terminada
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