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TecnuraPrintversionISSN0123921X
Tecnuravol.14no.26BogotJan./June2010
DiseoestticodeunconvertidorDC/DCreductorelevadorbidireccional
Bidirectionalbuckboostdc/dcconverterstaticdesign
MarcelaGonzlezValencia1,AlfonsoAlzateGmez2
1IngenieraElectrnica,MagisterenIngenieraElctrica.DocenteAuxiliardelaUniversidadTecnolgicadePereira.Pereira,[email protected],MagisterenIngenieraElctrica,DoctorenAutomtica.DocenteTitulardelaUniversidadTecnolgicadePereira.Pereira,[email protected]
Fechaderecepcin:mayo12de2009Fechadeaceptacin:noviembre17de2009
ResumenSepresentaeldiseoestticodeunconvertidorreductorelevadorbidireccionalcontresconmutadoresyconexinencascada.Laprincipalaplicacindelconvertidoreslaadministracindebaterasensistemasdealimentacinininterrumpida,controlandoelflujodeenergayregulandolatensindealimentacinDCdurantelosdiferentesmodosdeoperacindelabatera
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comofuenteysumidero.
Palabrasclave:Batera,ConvertidorDCDC,Elevador,Reductor.
AbstractThispapershowsabuckboostconverterstaticdesignwith3switchesandcascadeconnection.Themainapplicationoftheconverteristhebatterymanagementonuninterruptiblepowersupplies,controllingenergyflowandregulatingtheDCsupplyvoltageforthedifferentbatteryoperationmodesassourceandsink.
Keywords:Battery,DCDCConverter,Boost,Buck.
1.IntroduccinEnlaelectrnicadepotenciaocupanunaimportanteposicinelestudioydesarrollodelosconvertidoresDC/DC.Estossedividenendiferentestopologas:reductoraobuckelevadoraoboosty,yunhbridodelasdosanterioresllamadoflyback,sepicycuk[1],[2]y[3].
Elfuncionamientobsicodelosconvertidoresconmutadosconsisteenelalmacenamientotemporaldeenergaylacesindeestaenunperiododetiempo.Esteperiododetiempodeterminalacantidaddeenergacedidaalacarga.
LosconvertidoresdeDC/DCsepuedendividirentresbloques:
Conmutacin:seencargadetrocearlasealdeentradasegnlafrecuenciayelciclodetrabajorequerido.Acumulacindeenerga:dependeestrictamentedelaconmutacin,yaqueestedeterminacundoseliberaenergahacialacargadelsistema.Filtrado:seencargadefiltrarlasealconmutada.
EsimportantemencionarlasventajasydesventajasenelusodeconvertidoresDC/DCcomoreguladoresdetensin.
Ventajas:
Rendimientoconmrgenesentreel60%yel90%contrael14%delasfuentesdealimentacinlineales.Tamaoreducido.
Desventajas:
GeneracindeEMI(emisinelectromagntica),tantoconducidacomoradiada.Aumentodelasprdidasconelaumentodelafrecuencia.
LosconvertidoresDC/DCsonmuyutilizadosenlaindustriadeampliodesarrollotecnolgico,graciasasusnumerosas
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ventajasenelreadeconversindepotencia[1].Susprincipalesaplicacionesestnorientadasafuentesdepoder,sistemasdepotenciafotovoltaicos,pilasdecombustibles,vehculoshbridos,entreotros,comoprimerasetapasdeacondicionamientoyadministracindeenerga[4]y[5].Estosdescribenunatopologafcildetrabajarsinembargo,sudinmicaesmuycomplejaporquesonsistemasdenaturalezanolineal,generalmentedefasenomnima,loquedificultaeldiseodeuncontrolcapazdegarantizarlaestabilidadylascondicionesdeoperacinconsideradasduranteeldiseofrenteaperturbacionesdecargaodelnea[8],[5]y[6].
Latensindesalidayladireccindelflujodepotenciadelconvertidormostradoacontinuacinpuedenserreductorasoelevadoras,dependiendodelciclodetrabajoylascondicionesdeoperacin[4]y[7].
Enlafigura1semuestraunesquemageneraldelsistemapropuestoadems,sepuedenobservarlosconmutadorescorrespondientesacadamododeoperacin(comoelevadorocomoreductor),losdiferentesnivelesdetensinDCylatopologageneraldelconvertidorDC/DCbidireccionalconconexinencascada.
EstetrabajopretendeabordarconsideracionesbsicaseneldiseodelosconvertidoresDC/DC,apartirdelanlisisestticoenmododeconduccincontinua.Despusdelaintroduccinsemuestraeldiseodelconvertidor.Acontinuacinsepresentanlosresultadosdelasimulacinyfinalmentelasconclusionesdeltrabajorealizado.
2.Metodologa
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2.1.Funcionamientodelconvertidor
Enlafigura1semuestralatopologadelconvertidorpropuesto.ElbancodebaterasestrepresentadoporunafuentedetensinVgycorrienteIg.LatensinycorrientedesalidaporVeI,respectivamente.LacorrientedelcapacitordesalidaporICyyladelinductorporIL.ElcapacitordeentradaCisecolocaparadisminuirelrizadodecorrienteenlasbateras[2].Dependiendodelmododeoperacin,trabajanS1yD4comoreductoroS2yS3comoelevador.LaconmutacionentreS2yS3escomplementaria.
Cuandoelconvertidortrabajacomodescargadordebateria,esdecir,labaterafuncionacomofuentedealimentacin,elflujodeenergaocurredeizquierdaaderechayelnivelDCbajodelasbateriasseelevaatravsdelelevador(S2yS3)paralograrunnivelDCptimoparaelfuncionamientodelinversor.Lasbateriassolofuncionancuandohayunafallaenlaalimentacin(red).Enelcasocontrario,elconvertidortrabajacomocargadordebateriaestoocurrecuandolabaterasecomportacomosumidero.ElflujodeenergavadederechaaizquierdayelniveldeDCaltosereduceatravsdelreductor(S1yD4)parapodercargarlasbateriasconelnivelDCrequerido.
LainductanciaLesmuyimportante,yaqueconectalosbloquesreductoryelevadorencascada(serie)yeselprincipalelementoalmacenadordeenergadelsistema.
Enlatabla1semuestralarelacinentreelmododeoperacinylosestadosdelosconmutadores.
ElflujodecorrientesecontrolaconelestadodeS1,determinandosisecarganosedescarganlasbateras.LosconmutadoresS2yS3complementariosgarantizanproteccindelacargaypuedenevitarconduccincruzada(crossconduction)ocortosenunamismaramadelconvertidoryelcapacitordesalida,alconsiderarlostiemposmuertos(delayblanking)necesariosentrelassealesdedisparodecadaconmutador.
LaEc.(1)muestralarelacinentreelvoltajedesalidaV,elvoltajedeentradaVgyelciclotilDe.
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2.2.Condicionesdeoperacin
Acontinuacin,enlatabla2,seestablecenlosparmetrosdefuncionamientonecesarios,paracalcularloscomponentesqueintegranelconvertidoryestablecenlascondicionesmnimasdelmismo(lafrecuenciadeconmutacinseabreviacomofs).
2.3.DiseoEsttico
Paraelclculodeloscomponentesdelconvertidorsetieneencuenta:
Corrienteeficazycorrientepicoenelinductor.Rizadomximodeseadoenlacorrienteenelinductor.Rizadomximopermitidoenelvoltajedesalida(voltajeenelcapacitordesalida).
2.3.1.Clculodelinductor
ParaelclculodelinductorseconsideranlasEc.(2)y(3):
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EnlaEc.(3),elpeorcasoocurrecuando(verEc.(4)):
DeestemodosehallaelmnimovalornecesariodeLbajolaspeorescondicionesdeoperacin(vertabla3).
2.3.2.Clculodecapacitores(entradaysalida)
Comoenelclculodelinductor,serepitelacondicindelpeorcaso(Ec.(4))ysehallaelvalordeC,talcomosemuestraenlatabla3paradiferentesfrecuenciasdeoperacin,empleandolaEc.(5).
Dadalanaturalezabidireccionaldelconvertidor,noesnecesariocalcularunvalorparaelcapacitordeentradayotroparaelcapacitordesalidasepuedesimplementeconsiderarelmismovaloryutilizardoscapacitoresigualesenanlisisposteriores.Estosejustificaconelhechodequeenuninstantedetiempodeterminadoelprimercapacitoresdeentradayelsegundoeselcapacitordesalida,ycuandoelflujodeenergacambiededireccinenuninstantedetiempoposteriorelprimercapacitorserelcapacitordesalidayelsegundoserelcapacitordeentrada.
Enlatabla3semuestranlosvaloresobtenidosparaCyL,paradiferentescasos.
Losvaloresobtenidossonlosvaloresmnimosquegarantizanconduccincontinuaporestarazn,enimplementacinsepuedenutilizarelementosdemayorvalornominalqueseancomerciales.
2.4.DiseoDinmico
Acontinuacinsedescribeelmodeloenpequeasealparaelconvertidorenlosmodosdeoperacinpropuestos,
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dondeTseselperiododeconmutacinyDeelciclodetrabajo[2].
Intervalo0
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LasEc.promediadasenTSson,Ec.(10),(11)y(12):
Paracompletarelanlisisdinmicodelsistemasedebenestablecerlassiguientesrelacionesentrevalorespromediadosyvaloresdepequeaseal:
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Finalmenteseobtieneelmodeloenpequeaseal(Ec.(13),(14)y(15)),considerandoqueloselementosbilinealespresentesenladinmicadelsistemasonnulosparaentradaoestadoconstante.
3.ResultadosLasfiguras2y3muestranelesquemageneralrealizadoenPSIMparalosdiferentesmodosdeoperacin.PSIMesunsofttaredesimulacindiseadoespecficamenteparalaelectrnicadepotenciayelcontroldemotores,elaboradoporPowersim.
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Larespuestadelconvertidorpropuestotrabajandoenmododescargadordebatera(verfigura4)muestraunbuencomportamiento.Talcomoseespecificaeneldiseo,lacorrientedesalidaesde10Aylosnivelesdevoltajeenestadoestticocorrespondena85Vy170V,conuntransitoriocortoyrizadospequeos.Seproponemejorarla
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respuestadinmica,tiempodeestablecimientoysobresaltos,(especialmenteenlacorrientedelabobina)conuncontroladorqueseadapteadecuadamentealtipodesistemaanalizado.
Paraelmododeoperacincomocargadordebaterassetienenencuentalassiguientesconsideraciones:lasbaterassonsumiderosdeenergaynofuentes,poresosemodelaconunaresistencia.ElniveldeVdcaltode170V(verfigura1)esahoraunafuenteynounsumiderodeenerga,poresosemodelaconunafuentedevoltajeconstante.En
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trminosgenerales,estemododeoperacinmuestratambinundesempeoeficiente.
4.conclusionesEstetrabajohamostradoeldiseoestticobsico,anlisisdefuncionamiento,diferentesmodosdeoperacinysimulacindeunconvertidorreductorelevadorbidireccionalencascada,operandoenmododeconduccincontina.
Lassimulacionesmuestranunbuencomportamientodinmicodelasvariablesdeestadodelconvertidor,apesardelanaturalezanolinealdelsistemaydequesecuentaconuncontrolsimpleenlazoabierto.
ElusocadavezmsfrecuentedeconvertidoresDC/DCbidireccionalescomodispositivosadministradoresdepotenciaensistemasdealimentacinininterrumpidayaccionamientosparamanejarmotoresenvehculoshbridossedebenosoloasueficaciaenlaregulacindetensionesDC,sinotambinasuconstruccininternayalosdispositivosdeelectrnicadepotenciaempleadosparaconmutacin,capacesdegarantizanunamenorpresenciaderuidoydetransitorios,mejorandoaslacalidaddelaenergainvolucrada.Estetipodeconvertidoresseconviertedeestemodoenpartefundamentaldesistemasecolgicosyahorradoresdeenerga.
5.TrabajofuturoComotrabajofuturo,seproponemejorarlarespuestadinmicadelconvertidorconlaaplicacindeuncontroladorqueseadaptealascaractersticasnolinealesydefasenomnimadelsistema,utilizandouncontroldeestructurasvariablescomoloeselcontrolporplanosdeslizantes.
6.FinanciamientoEstetrabajodeinvestigacinsedesarrollenelmarcodelproyecto"ImplementacindeunaUPSmonofsicausandoPWMconunatopologasimplificada",presentadoenlaConvocatoria418deJvenesInnovadores,ProgramaJvenesInvestigadoreseInnovadores,2007.EstainvestigacincontconelavalyelfinanciamientodelaUniversidadTecnolgicadePereirayelInstitutoColombianoparaelDesarrollodelaCienciaylaTecnologaFranciscoJosdeCaldasColciencias.
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