INDICE ELECTRONICA DE POTENCIA -UNIDAD 4 TROCEADORESINTRODUCCION……………………………………………………………….3 TEMA 4.1 TROCEADOR POR MODULACION DE ANCHO DE PULSO (PWM) ……………………6 TEMA 4.2 CONFIGURACIONES BÁSICAS PARA TROCEADORES……………………………………….11 TEMA 4.2.1 TROCEADOR REDUCTOR……………………………………………………………………………..1 1 TEMA 4.2.2 TROCEADOR ELEVADOR……………………………………………………………………………… 16 TEMA 4.2.3 TROCEADOR REDUCTORELEVADOR……………………………………………………………. TEMA 4.2.4 FLYBACK……………………………………………………………………………… ……………………… INTRODUCCION Convertidor: Un convertidor es aquel que convierte la potencia de corriente y tensión determinada a otra forma de corriente y tensión, tratando de que se pierda el más mínimo de energía, ya que esta resulta en un costo y calor a disipar. Los sistemas que transforman la energía suelen denominarse convertidores estáticos de energía o simplemente convertidores de energía. El adjetivo "estáticos" se debe a que se trata de circuitos que utilizan semiconductores y no máquinas eléctricas para realizar la conversión, dado que en los primeros años de la Electrónica de Potencia la conversión de energía se realizaba mediante convertidores electromecánicos y esencialmente por máquinas giratorias. Hoy en día estas técnicas ya no son más utilizadas, ya que con los semiconductores se obtienen prestaciones más adecuadas en todos los sentidos. Hay varios tipos de convertidores como los son los rectificadores controlados y los no controlados, los reguladores de CA, los cicloconvertidores, los osciladores o inversores y por último los convertidores de CC/CC o también llamados troceadores, este últimos es que el que se estudiara en la siguiente unidad. ¿Qué es un troceador?
El convertidor CC/CC o troceador es aquel que transforma la corriente continua de tensión constante en corriente continua de tensión fija o variable. Algunas ocasiones también lo conocen como Choppers. ¿Cómo? Habitualmente la entrada de estos convertidores es una tensión continua no regulada, la cual se obtiene rectificando la tensión de línea y, por eso, esta fluctuará a los cambios en la magnitud de la tensión. Su funcionamiento es similar al de un transformador, únicamente considerando que las magnitudes contempladas lo son en continua y no en alterna. [pic] Figura 4.1.0 Convertidor continua-continua (CC/CC) Principio de operación [pic] El principio de operación del Troceador es teniendo una entrada de tensión de cc, el voltaje para a rl por tiempos dependiendo del interruptor, cuando el interruptor este cerrado pasara la corriente y esto se le denomina t1, cuando el interruptor se abre no hay paso de corriente y se le denomina t2, los dos tiempos juntos forman lo que denominamos ciclo de trabajo. De esta forma se convierte la tensión de cc constante a cc variable debido al interruptor y dependiendo del tiempo de abrir y cerrar del swicth será la frecuencia. El interruptor de este convertidor se puede implementar usando: 1) Un transistor bipolar de potencia 2) Un transistor de efecto de campo de metal oxido semiconductor de potencia 3) Un tiristor de disparo en compuerta (GTO) 4) Un transistor de compuerta aislada (IGBT) ¿Cuándo o dónde? Los convertidores CC/CC son ampliamente utilizados en fuentes de alimentación continuas conmutadas (generalmente con un transformador de aislamiento) y se utilizan ampliamente en el control de los motores de tracción de automóviles eléctricos, tranvías eléctricos, grúas marinas, montacargas y elevadores de minas. Proporciona un control uniforme de aceleración, gran eficiencia y rápida respuesta dinámica. Se puede usar en el frenado regenerativo de motores de cd para regresar la energía a la fuente. Los convertidores de cd se usan en los reguladores de voltaje de cd y también se usan en conjunto con un inductor para generar una corriente de cd.
Ventajas y Desventajas de los Troceadores Ventajas ❖ Control uniforme de aceleración ❖ Gran eficiencia ❖ Rápida respuesta dinámica ❖ Se puede usar en frenado regenerativo de motores de cd. ❖ Control prácticamente constante ❖ Fácil mantenimiento Desventajas ❖ Necesidad de filtros ❖ Personal especializado para el mantenimiento ❖ Costos (especialmente los filtros). 4.1 TROCEADOR POR MODULACION DE ANCHO DE PULSO (PWM) La modulación por ancho de pulsos (o PWM, pulse-withd modulation en inglés) es una técnica en la que se modifica el ciclo de trabajo de una señal periódica (por ejemplo sinusoidal u cuadrada). Definición Operación a frecuencia constante: la frecuencia del convertidor o de conmutación, f (o el periodo de conmutación T) se mantiene constante, y se varía el tiempo t1 de encendido. El ancho de pulso se hace variar, y esta clase de control se conoce como control de modulación por ancho de pulso (PWM). Principio de operación [pic]Figura 4.1.1 Forma de onda de modulación de onda El principio de operación del pwm es conformado por dos señales una triangular o diente de sierra y una seña moduladora, la señal de salida es llamada pwm, está conformada por dos tiempos uno cuando la señal es activa o máxima y la otra cuando cae la señal a cero. Ciclo de Trabajo El ciclo de trabajo esta expresado en la siguiente formula donde dice que, el ciclo de trabajo es igual a t donde es igual al tiempo en que la señal es positiva, sobre T donde es
el tiempo completo sumando la parte positiva y negativa, que también T puede ser igual a t1 +t2. [pic] Para poder controlar el ciclo de trabajo, es necesaria una señal de modulación por ancho de pulso (PWM) que maneje al interruptor permitiendo un control y una regulación total del voltaje de salida. Una forma consiste en lacomparación de dos formas de onda, una onda triangular y un nivel de corriente directa CD [pic] Figura 4.1.2 Esquema simplificado de la etapa moduladora. En la modulación por ancho de pulso, la amplitud del voltaje de salida se puede controlar por medio de las formas de onda, ya sea variando el nivel de CD o modificando la amplitud de la onda triangular. Las ventajas de la modulación PWM son la reducción de los requerimientos del filtro para reducir los armónicos y el control de la amplitud de salida. Entre sus desventajas están la existencia de mayores pérdidas debidas a una conmutación más frecuente además de que los circuitos de control son más complejos. Mediante esta técnica se puede controlar la magnitud y frecuencia de la señal de salida mediante la modulación del ancho del pulso de los interruptores del inversor. La modulación de ancho de pulso es el proceso de modificar el ancho de los pulsos de un tren de pulsos en razón directa a una pequeña señal de control; cuanto mayor sea el voltaje de control, será más ancho el pulso resultante. Existen diferentes tipos de modulación por ancho de pulso, tales como modulación por ancho de pulso único, por ancho de pulso múltiple, sinusoidal, sinusoidal modificado, entre otros, cada uno con sus respectivas características. Dado que en este trabajo se necesita producir una señal senoidal, se empleará la modulación por ancho de pulso sinusoidal. Las señales de control, se generan comparando a una señal de referencia sinusoidal de amplitud Ar, con una onda portadora triangular de amplitud Ac y frecuencia fc. La frecuencia frde la señal de referencia determina la frecuencia fundamental de la salida del inversor. La variable de control es elíndice de modulación de amplitud (M), o índice de modulación, el cual es la relación de Ar entre AC. [pic] Si se varía Ar desde 0 hasta Ac, se puede modificar el ancho de pulso δ, de 0º a 180º. De esta manera, la amplitud pico de la senoidal controla el índice de modulación M, y en consecuencia el voltaje RMS de salida Vo. Figura 4.1.3 La cantidad de pulsos por medio ciclo depende de la frecuencia de la portadora.
Se puede observar que el área de cada pulso corresponde en forma aproximada, al área bajo la onda sinusoidal, entre los puntos medios adyacentes de los periodos de apagado de las señales de control. Se pueden generar las mismas señales de disparo con una onda portadora triangular unidireccional Figura 4.1.4 Tecnica de doble polarización para modulación de onda Figura 4.1.5 Ejemplo de un CTO de control de PWM. Etapa de potencia 4.1.6 esquema de la etapa de potencia. 4.2 Configuraciones Básicas Existen sistemas unidireccionales, denominado también convertidores de un cuadrante, y sistemas reversibles, subdividiendo estos últimos en convertidores de 2 cuadrantes y de 4 cuadrantes. Se utilizara el tipo que proceda dependiendo de las características de la aplicación con que se trabaje, generalmente según el tipo de cargar que alimente el convertidor DC-DC. Por otro lado, lo que solamente admiten funcionamiento en un cuadrante se pueden subdividir en las denominadas 3 configuraciones básicas y el chopper de acumulación capacitiva, también conocido como convertidor cuk. Las tres configuraciones básicas son: Convertidor Buck (o reductor), Convertidor Boost (o elevador) y Convertidor Buck-Boost (ó elevador-reductor). Existen también otras configuraciones como lo son la Cuk, SEPIC, Buck con filtro de Entrada, Boost con filtro de Salida y Flyback. A continuación se estudiaran las 3 configuraciones básicas y el flyback. *. Por facilidad de las practicas el control de interruptor se realizara con ayuda de dispositivos semiconductores como los son los SCR. 4.2.1 Troceador o convertidor Reductor (Buck) El convertidor Buck (Figura 4.2.1 y 4.2.2), es un tipo de convertidor conmutado DC-DC también conocido por el nombre de convertidor reductor (Step-Down). La función de este convertidor es mantener una tensión de salida inferior a la de entrada regulada frente a variaciones de la tensión de entrada o de la carga. Este convertidor forma parte de la familia de los convertidores de segundo orden, ya que en el se encuentran dos elementos almacenadores de energía. [pic] Figura 4.2.1Esquema de un convertidor DC-DC tipo Buck (reductor)
[pic] Figura 4.2.2 Esquema de un convertidor DC-DC tipo Buck (reductor) Funcionamiento Básico del convertidor Buck En un regulador reductor, el voltaje promedio de salida Vo, es menor que el voltaje de entrada Vs , de ahí la palabra “reductor”. El interruptor conmuta a una frecuencia de conmutación f=1/T. Se distingue dos modos de operación según si la corriente por el inductor L se anula durante el periodo de operación T o si por el contrario se mantiene a un valor de corriente IL(MIN ) . Se muestra el comportamiento del capacitor y el inductor en la salida (Figura 4.2.3). Fig. 4.2.3 Las graficas muestran el comportamiento del capacitor y el voltaje de salida. Análisis con el interruptor cerrado. En este modo de funcionamiento la intensidad que fluye por el inductor fluctúa entre unos valores máximo y mínimo, pero nunca llega a anularse. Esto, como se verá más adelante, se debe a la relación entre el tiempo en el que el interruptor se encuentra cerrado, y el tiempo necesario para que la bobina descargue totalmente la energía almacenada previamente. En t=0 comienza a conducir el interruptor el circuito equivalente de esta topología esta representado en la figura 4.2.4. Como la tensión de salida Vo es menor que la tensión de entrada Vs, la corriente por inductor L será creciente durante este intervalo. La corriente que circula por el interruptor es igual a la de L. [pic] 4.2.4 Convertidor reductor en modo cerrado o topología ON Durante el intervalo de tiempo en que el interruptor se halla en conducción, es decir “ON”, y el diodo se halla en corte, “OFF”, se dice que el convertidor se encuentra en la “topología ON”. La tensión de la bobina es: Análisis con el interruptor abierto. Durante el intervalo de tiempo en que el interruptor se halla desconectado, es decir “OFF”, y el diodo de marcha libre se halla en conducción, “ON”, se dice que el convertidor se encuentra en la “topología OFF”, figura 4.2.5. [pic] Figura 4.2.5 Convertidor reductor en modo abierto o topología OFF
La tensión de la bobina es: [pic] La corriente media en la bobina debe ser igual a la corriente media de la resistencia de carga, por que la corriente media en el condensador debe ser nula cuando opera en régimen permanente: Consideraciones de diseño • La mayoría de los convertidores reductores están diseñados para funcionamiento con corriente permanente. • Las frecuencias de conmutación altas permiten reducir el tamaño de la bobina y del condensador. Las desventajas de que presentan las altas frecuencias de conmutación es un aumento de la perdida de potencia en los interruptores, debido a esto será necesario utilizar un disipador de calor de mayor tamaño para el transistor. • Las frecuencias típicas de conmutación varían en el rango comprendido entre 20KHz y 50KHz • El condensador se debe seleccionar de manera que soporte la tensión de pico de salida y conduzca la corriente eficaz necesaria, ya que esto ayudara a limitar el rizado de salida en función de las especificaciones del diseño. • El interruptor y el diodo deben soportar la tensión máxima cuando Estén desactivados y la corriente máxima cuando estén activados. • Los valores nominales del hilo de la bobina deben poder tolerar la corriente eficaz, y el núcleo no deberá saturarse para la corriente de pico de la bobina. Troceador o convertidor elevador (Boost) El convertidor Boost (Figura 4.2.6 y 4.2.7), es un tipo de convertidor conmutado DCDC también conocido por el nombre de convertidor elevador (Step-Up) o chopper paralelo. Este convertidor proporciona una tensión de salida mas elevada que la tensión de entrada de ahí que su nombre sea convertidor elevador. De la misma manera que el atenuador, el ajuste de la tensión de salida se efectúa mediante la variación del ciclo de trabajo. Sin embargo se debe de evitar, que el porcentaje del ciclo de trabajo llegue al 100%, es decir, que entre en corto circuito. Por este motivo el sistema de control debe funcionar con un porcentaje máximo de ciclo de trabajo del 90%. La función de este convertidor es mantener una tensión de salida regulada frente a variaciones de la tensión de entrada o de la carga. Su principal aplicación se halla en la fuente de alimentación conmutada y en el frenado regenerativo de los motores DC.
[pic] Figura 4.2.7 Convertidor Conmuntado Elevador Con SCR Este tipo de convertidor también es de segundo orden, ya que en él se pueden apreciar dos elementos almacenadores de energía. Se muestra el circuito del convertidor en lazo abierto para realizar un estudio detallado de su funcionamiento y definición de las variables de estados. En un regulador elevador, el voltaje promedio de salida Vo, es mayor que el voltaje de entrada Vd. Se distingue al igual que en el Buck, dos modos de operación, según la corriente por el inductor L se anule durante el periodo de operación T: MCC y MCD. Topología ON En este convertidor, la energía que procede de la entrada Vd es conducida por el elemento de conmutación para ser almacenada en la bobina. Este almacenamiento de energía se efectúa durante el periodo de conducción del interruptor, no existiendo durante este intervalo ningún tipo de transferencia de energía a la carga. En t=0 comienza a conducir el interruptor S (“topología ON”). Durante el “intervalo Ton ”, en que el interruptor se halla en conducción (“ON”), por lo que solamente se establecerá flujo de corriente a través de la bobina, ya que el diodo se encuentra polarizado inversamente, por lo tanto la corriente que pasará por él será prácticamente nula. A lo largo de este intervalo se producirá el almacenamiento de la energía en L. Por consiguiente, en bornes de la bobina resulta una diferencia de potencial constante de valor igual a la tensión de entrada Vd, figura 4.2.8. Topologia OFF Cuando el conmutador se abre, la tensión que se produce en bornes de la bobina se suma a la tensión de la fuente obteniéndose una tensión de salida superior a esta última y con idéntica polaridad. Al mismo tiempo, la energía almacenada previamente por la bobina es transferida a la carga. El interruptor pasa a bloqueo (“topología OFF”). Se producirá una inversión de polaridad en la bobina, debido a la imposibilidad de variar bruscamente la intensidad que pasa por ella por lo que hace conducir al diodo D (diodo de marcha libre) manteniendo así la continuidad de la corriente por L. Ahora la bobina actúa como generador, sumándose su tensión a la tensión existente a la entrada del convertidor. El condensador se carga a través del diodo con una tensión de valor Vin menos la tensión inducida en la bobina. Por ello la corriente en la bobina es decreciente mientras el interruptor no entra nuevamente en estado de conducción. Gracias a dicha inversión de polaridad, la bobina actúa como receptor en el primer estado y como generador en el segundo.
El filtro utilizado, C, tiene como misión recibir la energía que previamente ha almacenado la bobina, manteniendo la tensión y corriente de salida durante todo el tiempo que la bobina no entrega energía a la salida. Durante la “topología OFF” se verifican las siguientes expresiones: [pic] En la siguiente figura se muestran las señales de salida del troceador elevador según su funcionamiento. [pic] Figura 4.2.9 Señales de Salida de un troceador elevador. ----------------------[pic] [pic] Figura 4.2.6 Figura 4.2.8 Figura 4.2.8
