UNIVERSIDAD JUÁREZ AUTÓNOMA DE TABASCO
“ESTUDIO EN LA DUDA, ACCION EN LA FE”
DIVISIÓN ACADÉMICA DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA
PROCOLO DE TESIS:
DISEÑO Y CONTROL DEL CONVERTIDOR BUCK-BOOST PARA LA
ADAPTABILIDAD EN SISTEMAS DE ELECTRÓNICA
PRESENTA:
EDGAR IVÁN OVANDO MÉNDEZ
IVÁN GARCÍA MÉNDEZ
ASESOR:
DR. JOSÉ ARMANDO OLMOS LÓPEZ
CARRERA:
LICENCIATURA EN INGENIERÍA ELÉCTRICA Y ELECTRÓNICA
CUNDUACÁN, TABASCO, MÉXICO.
JULIO 2023
ÍNDICE
1.-Antecedentes ............................................................................................................ 1
2.-Planteamiento del problema .................................................................................... 1
3.-Justificación .............................................................................................................. 3
4.-Objetivos .................................................................................................................... 3
5.-Metodología ............................................................................................................... 3
6.-Cronograma de actividades ..................................................................................... 4
7.-Contenido temático................................................................................................... 5
8.-Bibliografía ................................................................................................................ 7
1.- ANTECEDENTES
En la actualidad las fuentes conmutadas tienen un papel importante en la conversión eficiente de
la energía eléctrica en una amplia gama de aplicaciones, como sistemas de energía renovable,
vehículos eléctricos, distribución eléctrica, entre otros. En la gran mayoría de estos campos,
requiere una mayor adaptabilidad de los sistemas de conversión de energía debido a las variaciones
que se presentan cuando están en operación y a los cambios en la adquisición energética como
pueden ser las nuevas tecnologías, fuentes renovables y sistemas de almacenamiento de energía
las cuales utilizan convertidores de potencia (PD Lund, 2019).
Los convertidores reconfigurables han surgido como una solución prometedora para abordar los
desafíos de la adaptabilidad en la electrónica de potencia. En cambio, los convertidores
convencionales están diseñados para operar con algunas limitaciones, los convertidores
reconfigurables permiten la adaptación de sus parámetros como la potencia y el voltaje, de salida
por este motivo los convertidores de CC y sus controles se han considerado parte esencial en la
electrónica de potencia (Jin, 2013).
El desarrollo de convertidores reconfigurables ha sido impulsado por avances significativos como
en la tecnología de semiconductores de potencia, técnicas de control, y la creciente demanda de
sistemas que puedan ajustarse a diferentes situaciones operativas. Al combinar características de
varios convertidores en una única unidad, los convertidores reconfigurables tienen la capacidad de
mejorar la eficiencia, reducir el tamaño y el costo, y aumentar la fiabilidad de los sistemas de
electrónica de potencia (Mohan, Tore, & Robbins, 2009).
En la literatura existente, se han reportado diversas propuestas y avances en el diseño y control de
convertidores reconfigurables para aplicaciones específicas. Sin embargo, aún existen importantes
desafíos y oportunidades de investigación para llevar esta tecnología a su pleno potencial en la
electrónica de potencia adaptable.
En vista de estos desafíos y oportunidades, en la presente se propone abordar el diseño y control
de un convertidor Buck-Boost reconfigurable para aplicaciones de electrónica de potencia
adaptable. Se buscará diseñar un convertidor con un enfoque en la eficiencia, la adaptabilidad y la
fiabilidad, y se evaluará su desempeño mediante simulaciones y experimentos prácticos.
2.- PLANTEAMIENTO DE PROBLEMA
La electricidad en la actualidad tiene una gran notoriedad y consideración debido a la gran cantidad
de dispositivos y maquinaria que necesitan de la energía eléctrica. Hoy en día hay diferentes formas
de generar energía eléctrica aunque las más usadas son muy costosas y contaminantes,
últimamente los avances tecnológicos se han ido enfocando en usar energías limpia como lo son
las celdas solares fotovoltaicas, debido a que las energías limpias siguen estando en continuo
avance por sus limitaciones una de estas es el porcentaje de eficiencia la cual es muy bajo, teniendo
esto en cuenta se debe de tener un buen sistema de conversión para que ese porcentaje se aproveche
al máximo de lo contrario los sistemas tendrían considerables perdidas (Noguera-Salas, Pinto
García, & Villarreal Padilla, 2018).
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Los convertidores comerciales tienen limitaciones que recaen en sus especificaciones de uso y
resulta problemático cuando entre los aparatos que utilizan la energía eléctrica no todos a semejan
sus características de funcionamiento por lo que es necesario un acoplamiento entre la fuente de
alimentación y la carga, debido este acoplamiento se ha desarrollado un campo de estudio en el
cual se empeña en desarrollar dispositivos que logren el propósito del acoplamiento eléctrico de
manera eficiente (Lorente, 2021).
Existe una gran variedad de propuestas para el optimizar el diseño y el control de los convertidores,
en las cuales algunas investigaciones ofrecen buenos resultados, pero sin tener alguna validación
experimental, es decir, se han realizado propuestas a través de simulaciones en la mayoría de los
casos.
Es necesario validar las propuestas debido a que existen aspectos que no se toman en consideración
en las simulaciones o que dependen de otros parámetros de los dispositivos en los que se
implementa el controlador del convertidor, estos inconvenientes son los que causan que en el
desempeño del controlador no tenga una respuesta esperada a la simulación e incluso en algunos
casos que el prototipo no pueda funcionar.
Los convertidores son sistemas no lineales y usualmente los controladores que se implementan son
implementados para sistemas continuos (Salamero, Cid-Pastor, Aroudi, & Calvente, 2009). Existe
el control discreto el cual para la implementación en el convertidor es complejo y es por esto por
lo que se prefiere los controladores que involucren funciones continuas. El desarrollo de los
prototipos es tardado y generalmente se pueden encontrar con algunos impedimentos como los
siguientes:
•
Diseñar el convertidor que implemente el control (analógico o digital).
•
Accesibilidad para adquirir componentes o dispositivos que sean necesario para la
conclusión del prototipo
•
Diseñar, realizar y soldar la placa del circuito.
•
Validar que el convertidor esté funcionando correctamente.
Comúnmente cuando algún componente no esté en buenas condiciones puede provocar la falla de
otros dispositivos provocando que el trabajo realizado pueda ser afectado en su totalidad lo cual
requerirá de más tiempo para la terminación deseada, es por eso por lo que se propone un diseño
y control del convertidor que ofrezca reducir el tiempo y recursos necesarios para su culminación
y validación.
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3.- JUSTIFICACIÓN
La principal ventaja de tener un diseño de control óptimo para el convertidor Buck-Boost radica
en el hecho de que las redes eléctricas modernas son operadas con energía en DC lo que involucra
en mayoría este y otros convertidores en diferentes aplicaciones por mencionar algunas como
cargadores de baterías, generación solar fotovoltaica y cargas controladas por tensión lo que
implica que se puede utilizar una estrategia de control que pueda generalizar asegurando el
acoplamiento entre la carga y el convertidor logrando la estabilidad durante la operación
Con la tendencia de ahorrar energía y el uso eficiente, el convertidor y el controlador podría ser
implementado en otros sistemas siempre y cuando se realice el proceso de validación de manera
rápida y eficiente fomentando el mayor aprovechamiento de la energía eléctrica.
Esto se pretende lograr diseñando un sistema de control en lazo cerrado para el convertidor de
potencia Buck-Boost y analizando en este sus características de operación con el objetivo de lograr
la validación del controlador expuesto a diferentes condiciones de carga.
4.- OBJETIVOS
Diseñar e implementar el control de un convertidor Buck-Boost en la cual se pueda evaluar de
manera rápida.
OBJETIVOS ESPECIFICOS
•
Diseñar un sistema de control de lazo cerrado para el convertidor de potencia BuckBoost.
•
Comparar eficiencia del convertidor al ser operado con diferentes cargas.
•
Analizar las características dinámicas que resultan al aplicar la estrategia de control.
•
Validar el controlador mediante la exposición a diferentes condiciones de carga.
5.- METODOLOGIA
Para el desarrollo del diseño y control del convertidor se tomarán los siguientes puntos
•
Consultar y recopilar información sobre el convertidor Buck, al igual de los sistemas de
control que existen, la información obtenida será en gran parte de la red (Libros digitales,
artículos, revistas científicas, entre otras fuentes de consulta), por otra parte, se consultara
información existente sobre el control de convertidores que anteriormente se hicieron con
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respecto al tema para ser más específicos tesis y proyectos concluidos que realizaron
generaciones anteriores.
•
Para obtener las características (Frecuencia de conmutación, voltaje de salida, corriente de
salida) del convertidor Buck-Boost se optará por el análisis en modo continúo debido a que
ya se ha trabajado anteriormente en este modo y se cuentan con información de gran
utilidad. En cuanto para obtener los valores de los componentes del convertidor se deben
de tener las especificaciones de operación del convertidor como lo es la frecuencia de
conmutación la cual es la base para obtener el inductor mínimo posteriormente se puede
definir el valor del capacitor, para hacer los cálculos se realizará un algoritmo en el software
Matlab.
•
Para el modelo del sistema del convertidor es necesario analizar en los dos estados del
convertidor en modo continuo y descontinuo, posteriormente por medio de la transformada
Z se puede obtener la función de transferencia en el dominio del tiempo, lo cual para el
diseño e implementación del control será útil para poder sintonizar el control en donde se
utilizará el método de Ziegler-Nichols para obtener los valores del control PID.
•
Antes de ensamblar el prototipo se utilizará el software Matlab-Simulink, de esta manera
se analizará la eficiencia, las características dinámicas y el acoplamiento de las cargas a la
que se pretende llegar a su vez que se prueba la estrategia de control que se utilizara, en el
cual variables como voltaje, corriente, ciclo de trabajo ,entre otras variables cualitativas las
cuales serán registradas para posteriormente ser comparadas con la implementación real y
así obtener parte de la validación de funcionamiento del convertidor.
•
Como parte final se utilizarán microcontroladores como PICS O Arduino en el cual serán
programados para poder realizar el proceso de control, una vez obtenido el prototipo final,
se realizará el diseño de la placa en el software Proteus, seguidamente el grabado del
circuito sera unido a la placa por el método del planchado, finalmente todos los
componentes estarán en una placa PCB.
•
Como parte de la validación de la propuesta se realizará una aplicación en LabVIEW para
que el usuario pueda observar que sucede con las variables físicas del convertidor cuando
se conectan diferentes cargas.
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6.- CRONOGRAMA DE ACTIVIDADES
Actividad
1ra
Semana
2da
Semana
PERIODO
3ra
Semana
4ta
Semana
5ta
Semana
Recopilación de información sobre el
convertidor Buck-Boost DC-DC,
diseño del sistema de control
conceptual de lo general a lo
particular.
Análisis de las características
dinámicas del convertidor BuckBoost para la implementación del
control.
Cálculo de los componentes del
convertidor para la selección de los
dispositivos a utilizar.
Diseño e implementación del control
PI o PID para el convertidor.
Diseño y elaboración de la placa
PCB.
Evaluación y comparación del
acoplamiento del convertidor para
diferentes cargas.
Análisis y conclusión sobre la
estabilidad que se obtiene en el
convertidor al aplicar la estrategia
de control.
Redacción y edición de tesis.
7.- CONTENIDO TEMATICO
Capítulo 1: Introducción
1.1.
1.2.
1.3.
1.4.
1.5.
Antecedentes
Planteamiento del problema
Justificación
Objetivos
Alcances
Capítulo 2: Marco teórico
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2.1. Convertidores electrónicos de potencia
2.1.1 Diseño del convertidor reductor-elevador o Buck Boost
2.1.2 Modo discontinuo y modo continuo
2.2. control
2.2.1 Acciones de control
2.2.2 Control proporcional P
2.2.3 Control proporcional Integral
2.2.4 Control proporcional Derivativo
2.2.5 Control Proporcional Integral Derivativo
Capítulo 3: Aplicación de la metodología y desarrollo
3.1. Identificación del sistema
3.2. Calculo y selección de componentes del prototipo
3.3. Obtención del modelo matemático del sistema
3.4 Diseño del controlador
3.3.1. Control por modo deslizante (Seguimiento)
3.3.2. Control General
3.5 Construcción y ensamblaje del convertidor Buck Boost
Capítulo 4: Evaluación y resultados
4.1 Convertidor Buck-Boost
4.1.2 Simulación
4.1.3 Acoplamiento con diferentes cargas
4.1.4 Resultados
Capítulo 5: Conclusiones
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8.- REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS
• Erickson, R. W. (2007). Fundamentals of Power Electronics. Springer Science &
Business Media.
•
Jin, C. W. (2013). Implementation of hierarchical control in DC microgrids. IEEE
transactions on industrial electronics, 4032-4042.
•
Lorente, A. R. (2021). Análisis, diseño y optimización del convertidor cc–cc
bidireccional reductor–elevador con acoplamiento magnético. Universidad Carlos III de
Madrid, Madrid.
•
Mohan, N., Tore, M., & Robbins, W. (2009). ELECTRÓNICA DE POTENCIA:
Convertidores, aplicaciones y diseño. México,D.F: Mc Graw Hill .
•
Muhammad, R. (2015). Electrónica de potencia . Pearson Education.
•
Noguera-Salas, O., Pinto García, R., & Villarreal Padilla, J. (2018). La eficiencia de los
nuevos materiales fotosensibles usados en la fabricación de paneles solares. Iteckne, 7-16.
•
Ogata, K. (2003). Ingeniería de control moderno. Pearson education.
•
PD Lund, J. B. (2019). Advances in energy systems: The large-scale renewable energy
integration challenge. John Wiley & Sons.
•
Salamero, L., Cid-Pastor, A., Aroudi, A., & Calvente, J. (2009). Modelado y control de
convertidores conmutados continua-continua:. Revista Iberoamericana de Automática e
Informática Industrial RIAI.
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