LABORATORIO DE CONVERSORES ESTÁTICOS César Chillán-LCE_GR2_1 Práctica 8: CONVERTIDORES DC-DC EN DOS CUADRANTES Ingeniería Eléctrica y Electrónica, Escuela Politécnica Nacional Quito, Ecuador cesar.chillan@epn.edu.ec Resumen – En el desarrollo de esta práctica se comprobará el funcionamiento de esta topología de convertidor que esta fundamentalmente conformado por el acople de dos tipos de convertidores ya estudiados, los cuales son: la configuración Buck y la configuración Boost. Por lo tanto, para conseguir dicho frenado es necesaria la utilización de troceadores que permitan la circulación de corriente entre la carga y la fuente en los dos sentidos. Es aquí donde interviene el convertidor clase C. La técnica de control del convertidor DC-DC de dos cuadrantes puede ser con control simultáneo y con control no simultáneo. En esta práctica se analizará el funcionamiento utilizando un control no simultáneo. INTRODUCCIÓN En [4], Supongamos que estamos controlando un pequeño motor eléctrico con un único sentido de giro, utilizando un troceador reductor (step-down), con el cual es posible variar su velocidad de giro. Para el frenado, utilizaríamos en principio componentes auxiliares para realizar un frenado dinámico, en el que la energía cinética del motor se disipa en forma de calor en una resistencia. Sin embargo, con este tipo de frenado se desperdicia energía, por lo que, si queremos mejorar el rendimiento, debemos implementar un circuito que permita un frenado regenerativo del motor. Este frenado consiste en recuperar una parte de la energía mecánica del motor devolviéndola hacia la fuente de alimentación, y se consigue haciendo que el motor, actuando como un generador, fuerce una corriente hacia la batería. En el troceador directo (stepdown) la conexión entre la fuente y el motor se realiza mediante un diodo que no permite la inversión de la corriente ni, por tanto, el frenado regenerativo del motor. Fig.2 Convertidor DC-DC de dos cuadrantes. El modo de trabajo del convertidor lo representaremos en una gráfica de corriente-tensión, tal y como lo hemos hecho para anteriores convertidores. Cuando el troceador funciona en el primer cuadrante la tensión en la carga y la corriente son ambas positivas, funcionando el motor en tracción. Cuando lo hace en el segundo cuadrante la tensión de carga es positiva y la corriente negativa, produciéndose el frenado regenerativo del motor. En la Fig.1 se ilustra el funcionamiento del motor controlado con el convertidor clase C, mientras que en la Fig.2 se muestra el esquema de dicho convertidor. Trabajo Preparatorio A. Analizar el principio de operación y la secuencia de funcionamiento de la configuración del convertidor DC/DC de dos cuadrantes mostrada en la Fig.3 con control no simultáneo. Fig.3 Convertidor DC/DC tipo A en 2 cuadrantes Fig.1 Control en dos cuadrantes, motor DC. • Funcionamiento: Si se analiza el funcionamiento en modo no simultáneo, se tendría las siguientes formas de onda: En [4], En este convertidor la corriente en la carga puede ser positiva o negativa, mientras que el voltaje en la misma es siempre positivo. El circuito no es más que una combinación de un convertidor reductor (tipo A), y una regenerativo (tipo B). El interruptor S1 y el diodo D1 operan como convertidor reductor, mientras que S2 y D2 lo hacen como regenerativo. Debe tenerse cuidado de no cerrar los dos interruptores al mismo tiempo, ya que esto colocaría a la fuente en cortocircuito. Ahora estudiando los semiconductores que conducen en cada intervalo, así como los circuitos por los que circula la corriente de la carga πΌπ , durante un ciclo de funcionamiento del convertidor. 1. 2. 3. 4. π‘1 − π‘2 : Conduce π1 (π1 cerrado y π2 abierto). Circuito: Fuente-π1 -carga. πΌπ creciente exponencialmente desde 0. π‘2 − π‘3 : Conduce π·1 (π1 abierto y π2 cerrado). Circuito: Carga-π·1 . πΌπ exponencialmente decreciente desde Imax hasta 0, forzada por la energía magnética almacenada en la bobina. π‘3 − π‘4 : Conduce π2 (π1 abierto y π2 cerrado). Circuito: Carga-π2 . πΌπ Negativa, forzada por la fuerza contraelectromotriz del motor (V), con valor absoluto exponencialmente creciente desde 0 hasta Imin. π‘4 − π‘5 : Conduce π·2 (π1 cerrado y π2 abierto). Circuito: Carga-π·2 -fuente. πΌπ Negativa, en contra de la batería, es una corriente regenerativa, forzada por la energía magnética almacenada en la parte inductiva de la carga en serie con la f.e.m del motor de valor absoluto exponencialmente decreciente desde Imin hasta anularse. Fig.5 Formas de onda de trabajo en el primer cuadrante Fig.6 Formas de onda de trabajo en el segundo cuadrante B. Diseñar y traer armado el circuito de control y potencia del convertidor DC/DC en dos cuadrantes, para operación solamente en el primer cuadrante. Este es un control PWM. Fig.4 Formas de onda de trabajo en 2 cuadrantes Para implementar el circuito de control se utilizó la tarjeta embebida Arduino Mega, ya que esta posee más de un Timer de 16bits y cada uno de estos Timers poseen 3 canales para realizar comparaciones, además que tiene una ejecución de 1CM igual a 62,5nseg. En la Fig.9 se muestra el diagrama de flujo para realizar el control del conversor DC/DC reductor. No se utilizarán los pines de salida de los comparadores para generar formas de onda, mas bien se utilizará un Timer para generar una base tiempo que mediante las interrupciones de los comparadores se cambiaria el estado de un Pin del Arduino Mega. • else { Bandera='A'; digitalWrite(LED_FREQ,HIGH); digitalWrite(LED_Delta,LOW); } Diagrama de flujo: } Fig.7 Diagrama de flujo del programa de control por PWM • Programación de las señales control: #include <avr/io.h> #include <avr/interrupt.h> #define LED_FREQ 14 #define LED_Delta 15 #define pwm_control 50 #define Canal_1 A1 #define Canal_2 A2 #define alpha 0.1 #define Selector 2 int Lectura; int adc_filtrado = 0; float delta=0.9; int Bandera='A'; void setup() { pinMode(LED_FREQ,OUTPUT); pinMode(LED_Delta,OUTPUT); pinMode(pwm_control,OUTPUT); pinMode(Selector,INPUT_PULLUP); digitalWrite(pwm_control,HIGH); digitalWrite(LED_FREQ,HIGH); digitalWrite(LED_Delta,LOW); //Activo modo Fast PWM en las salidas OC5A=46,OC5B=45,OC5C=44 (esos pines son de la PLACA) cli(); //Configuración INT4 EICRB=_BV(ISC41)|_BV(ISC40);//Detección de flanco de subida EIMSK=_BV(INT4);//Habilito la interrupcion INT0 EIFR=_BV(INTF4);//Bajo manualmente la bandera de la interrupcion //Configuracion Señal de Control TCCR5A=0; TCCR5B=_BV(WGM52)|_BV(CS51);//Modo Fast PWM y preescalador 1/8 OCR5A=19999; OCR5B=delta*(OCR5A+1); TIMSK5=_BV(OCIE5A)|_BV(OCIE5B); sei(); void loop() { if (Bandera=='A') { Lectura = analogRead(Canal_1); // read the input pin adc_filtrado = (alpha*Lectura) + ((1alpha)*adc_filtrado); OCR5A=map(adc_filtrado,0,1013,199,19999); OCR5B=delta*(OCR5A+1); } else { Lectura = analogRead(Canal_2); // read the input pin adc_filtrado = (alpha*Lectura) + ((1alpha)*adc_filtrado); delta=0.00078973*adc_filtrado+0.1; OCR5B=delta*(OCR5A+1); } } -Para el mosfet: La corriente πΌππππ₯ = 5π΄ y el πππ = 180π ππππ πππ‘ = π ππ ππ β πΌπ 2 Para el mosfet IRF640, se tiene un π ππ ππ = 0.18Ω ππππ πππ‘ = 0.18 β 52 = 4.5π También este mosfet tiene las siguientes características: πππ = 200π πΌππππ₯ = 18π΄ ππππ₯ = 125π Por lo tanto, se utilizará el IRF640. -Dimensionamiento del diodo: El diodo debe conducir una Imax=5A, por lo que se utilizará un diodo de recuperación rápida MUR1520, el cual soporta una corriente de 15A y un voltaje inverso repetitivo de 200V. } ISR(TIMER5_COMPA_vect) { digitalWrite(pwm_control,HIGH); } ISR(TIMER5_COMPB_vect) { digitalWrite(pwm_control,LOW); } ISR(INT4_vect) { delay(10); if (Bandera=='A') { Bandera='B'; digitalWrite(LED_FREQ,LOW); digitalWrite(LED_Delta,HIGH); } C. Diseñar y traer armado el circuito de control y potencia del convertidor DC/DC en dos cuadrantes, para operación en el cuarto cuadrante; este es un control de rizado de corriente en donde pueda seleccionarse el nivel de Imax e Imin. La carga es un motor DC de 180V, 5 A, el control de rizado será diseñado para una corriente Imax e Imin ajustables (RLT; y RUT. En el diagrama superior). El sensado de corriente se lo hará con una resistencia de 1 Ohm o menor en serie con el motor DC. Para obtener las expresiones mas importantes que describen el funcionamiento de este conversor se utilizarán las gráficas de la Fig.5 (funcionamiento en el primer cuadrante) y de la Fig.6 (Funcionamiento en el segundo cuadrante). La corriente de salida en el intervalo 0 < π‘ < πππ tendrá el valor dado por la siguiente ecuación: ππ = π πΈ−π πΈ−π + (πΌππΌπ − ) β π −π‘β πΏ π π En el intervalo πππ < π‘ < π la corriente tendrá este valor: Fig.9 Procedimiento de calibración y secuencia de operación ππ = − π π π + (πΌππ΄π + ) β π −(π‘−πππ)β πΏ π π Los valores de Imax e Imin vienen dados de combinar las ecuaciones anteriores: πππβ πΌππΌπ = π πΏ − 1) π πΈ (π β − π π π (π πβ πΏ − 1) π π −πππβ πΏ ) πΌππ΄π = πΈ (1 − π β − π π π (1 − π −πβ πΏ ) Si Imin e Imax son positivas, el troceador funcionará en el primer cuadrante, y la corriente media de salida Io será positiva. Por el contrario, si ambas intensidades son negativas, como en el caso de la Fig.6, el troceador funcionará en el segundo cuadrante, e Io será negativa. Para el sensado de corriente se emplea una resistencia de 1ohm, la corriente en condiciones nominales del motor es 5A, por lo tanto, utilizando ley de ohm se tiene: πΈ ππ−πππ₯ = π ππππ‘πππ ∗ (πΌπ ) πΈ ππ−πππ₯ = 5π Y de esta forma se tiene el voltaje máximo de entrada que es igual a 5V. Del análisis del funcionamiento de este circuito de control se llega a la conclusión que para fijar los voltajes VUT y VLT se lo hace a través de un divisor de tensión mostrado en la Fig.10 Para el control de operación en el segundo cuadrante se empleará el circuito de la Fig.8 el cuál es un controlador con dos puntos de ajuste independientes Fig.9 Circuitos de ajuste de VUT y VLT Se analiza la fórmula de VUT teniendo el máximo valor de resistencia del potenciómetro, se tiene ππ’π‘ πππ₯ = 15 ∗ π π’π‘ πππ₯ π π’π‘ πππ₯ + 10πΎ Ω ππ’π‘ πππ₯ = 5 V Fig.8 Circuito de control para trabajar en el segundo cuadrante Este circuito de control necesita de una calibración previa para su funcionamiento, en la Fig.9 se muestra un diagrama de flujo que explica la forma de calibrar los limites superior e inferior de voltaje de control. Por lo tanto, con un potenciómetro de 5kohm se puede ajustar el voltaje de la ventana de histéresis para controlar que el frenado regenerativo del motor se mantenga dentro de los 5A. D. Dibujar las formas de onda que esperamos en los circuitos de los numerales A y B. Comprobar sus estimaciones por medio de simulaciones y traer los resultados impresos. Fig.15 Voltaje en la carga Fig.10 Circuito de funcionamiento en el primer cuadrante Fig.16 Corriente en la carga Fig.11 Voltaje en la carga Fig.17 Corriente en el mosfet REFERENCIAS Fig.12 Corriente en la carga [1] Apuntes de Electrónica de potencia, Ing. Patricio Chico [2] Power Electronics: Devices, Drivers, Applications, and Passive Components-Barry Wayne Williams [Online], Available: http://personal.strath.ac.uk/barry.williams/book.htm [3]http://scielo.sld.cu/scielo.php?script=sci_arttext&pid=S181559012012000200006 [4] Electrónica de potencia, Juan D. Aguilar Peña, Escuela Politécnica Superior (Universidad de Jaén), 2005. Fig.13 Corriente en el mosfet [5] Electrónica de potencia, Daniel W. Hart, 1ra edición, Prentice hall [6] Amplificadores operacionales y circuitos integrados lineales, Robert F. Coughlin, Prentice hall Fig.14 Circuito de funcionamiento en el segundo cuadrante