comvertidor de corriente continua

download comvertidor de corriente continua

of 45

  • date post

    15-Jan-2016
  • Category

    Documents

  • view

    43
  • download

    0

Embed Size (px)

description

comveridor buck

Transcript of comvertidor de corriente continua

  • INTRODUCCION Los convertidores CC-CC, son sistemas de

    conversin de energa elctrica, destinados a controlar el flujo de energa entre dos fuentes de tensin o de corriente.

    A partir de una fuente de CC, es posible obtener en la salida tensin o corriente continua alimentando cargas de naturaleza inductiva o capacitiva.

  • CLASIFICACION DE COVERTIDORES

    Convertidor Buck Convertidor Boost Convertidor Cuk Convertidor Boost-Buck Convertidor Sepic Convertidor Zeta Convertidor Flyback Etc.

  • Aplicaciones

    Control de la velocidad de motores de CC. Cargadores de batera UPS Trenes elctricos Fuentes de alimentacin Etc.

  • CONVERTIDOR BUCK Los convertidores reductores (Buck o step down) son

    parte integral de muchos equipos electrnicos actuales. Estos permiten reducir un voltaje continuo (generalmente no regulado) a otro de menor magnitud (regulado). Bsicamente estn formados por una fuente DC, un dispositivo de conmutacin y un filtro pasabajos que alimentan a una determinada carga.

    Hay dos diseos bsicos para los reguladores: regulador lineal y regulador conmutado. El funcionamiento del primero es similar a una resistencia variable que mantiene el voltaje de carga constante gracias a la realimentacin proveniente de carga. En un regulador conmutado se emplean principalmente elementos de conmutacin e inductores para lograr obtener el voltaje de carga deseado.

  • Si bien hoy en da es posible encontrar diversas variantes y topologas, se pretende cubrir la informacin inherente al tema a travs de la descripcin breve del funcionamiento y los parmetros de diseo de un convertidor Buck con una frecuencia de conmutacin fija, modulacin por ancho de pulso y la operacin en modo continuo principalmente.

    CARACTERISTICASEste conversor produce un valor medio de tensin en la salida inferior al valor medio de la tensin de entrada, recibe tambin el nombre de reductor de tensin, usado en rangos de 10W (500 KHz) y 10 MW (1KHz).

    La topologa del conversor Buck elemental se especifica a continuacin en la siguiente figura 2.1

  • PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTOCarga Resistiva a) S1 en ON entonces VR = E b) S1 en OFF entonces VR = 0

    Figura 2.2 Tensin y corriente en la carga

    Figura 2.1 Estructura del convertidor Buck

  • El voltaje medio en la carga de la figura

    tcT

    RRMED dtETdttv

    TV

    00

    .1)(1

    tcTEVRMED

    Con

    ac ttT

  • Si definimos la siguiente relacin como razn cclica tenemos:

    TtcD

    Entonces: DEV RMED . (2.2)Para la corriente media en la carga tenemos:

    RDE

    RVI RMEDRMED

    . (2.3)

    La tensin eficaz para carga resistiva

    tcTEdtE

    TV

    tc

    REF

    2

    0

    2.1 REFV E D (2.4)

    La potencia de entrada

    tc

    RRE dtRE

    Tdttitv

    TP

    0

    21)()(1 , entonces: DREPE

    2

    Finalmente la razn cclica puede variar de 0 D 1, y el voltaje :

    EVRMED 0

  • Es importante hacer notar que los conversores CC- CC, pueden operar con tc=cte y ta variable o sea funcionando con frecuencia variable (Modulacin por frecuencia), pero es poco recomendado por generar armnicos en la salida del conversor.

    Es ms frecuente operar a frecuencia constante, variando tc y el ancho de pulso vara, este tipo de control se conoce como Modulacin por ancho de pulso (PWM).

    Figura 2.3 Voltaje en la carga en funcin de la razn cclica

    tc ta

  • Resistencia de entrada

    RVE

    IER

    RMEDRMEDi /

    DRRi

    Carga RLE

    Figura 2.4 Estructura del convertidor Buck carga RLE

  • El conversor alimentando una carga RLE, funciona en dos etapas:

    Primera etapaInterruptor S en conduccin entonces i=iE, transferencia de energa de la fuente E a la carga obteniendo la siguiente ecuacin:

  • LEcEi

    LR

    dtdi

    EE

    Cuya solucin general es:

    tLR

    E CeREcEi

    Aplicando condiciones iniciales:Si t=0 entonces iE= IMIN, obtenemos la solucin particular para el circuito:

    tLR

    tLR

    MINE eREcEeIi 1

    Segunda etapaInterruptor abierto con i = iD, la corriente de carga circula por el diodo DRL, formndose la siguiente ecuacin:

    LEci

    LR

    dtdi

    DD

  • Cuya solucin general es:t

    LR

    D CeREci

    Aplicando condiciones iniciales:Si t = 0, entonces iD=IMAX, hallamos la solucin particular para esta etapa dado por:

    1

    tLRt

    LR

    MAXD eREceIi

    Potencia transferida a la cargaLa potencia media suministrada por la fuente de alimentacin esta dada por:

    0 0

    1 . .t tc

    E E EEP E i i dt

    T T

    EmedE IEP . , tambin CmedEmed IDI .

  • entonces:CmedCmedE IVP

    Si consideramos un conversor ideal, la potencia interna de perdidas puede ser despreciada, es decir PE=PC.

    Tipos de conduccinSi la corriente iL no se anula antes que el tiempo ta sea agotado la conduccin se dice continua (fig.2.6), caso contrario es discontinua fig. 2.7.

    Figura 2.6 Corriente en la inductancia conduccin contina

  • Figura 2.7 Corriente en la inductancia conduccin discontinua

    Existe una tercera situacin en que la corriente de carga se anula exactamente en el tiempo ta, este tipo de conduccin es conocida como conduccin critica como se muestra en la figura 2.8

    Figura 2.8 Corriente en la Inductancia conduccin critica

  • CONVERSOR BUCK (Conduccin contina)El valor medio de la tensin esta dado por:

    DEVcmed Tambin puede ser obtenida a partir de la siguiente expresin:

    VlmdVrmdEcVcmd

    T

    CT

    C dtdtdiL

    TdtiR

    TEcVcmd

    00

    1.1

    Para la tensin media

    RIcmdEcVcmd Para la potencia media tenemos:

    DaDIEPcmd .Obtenindose la siguiente variacin:

    a D 1 y 0 Pcmd E.I (1-a)

  • Donde:

    DE

    Vcmd ,razn cclica

    aEEc

    ,relacin de tensiones

    IRE

    El anlisis presentado en este prrafo muestra claramente la posibilidad de regular la tensin media y de la corriente media de carga, por medio de la razn cclica (D).Por analoga es posible considerar la razn cclica D como una relacin de transformacin aplicado a los conversores CC CC, tal como es hecho con la relacin de transformacin aplicado a los transformadores.

    Ondulacin de la corriente de cargaDe las ecuaciones anteriormente halladas:

  • tLR

    tLR

    MINE eREcEeIi 1

    1

    tLRt

    LR

    MAXD eREceIi

    En ecuacin (1), si t = tc entonces iE(t)=IMAX , con RL

    ,obtenemos:

    tctc

    MINMAX eREcEeII 1

    De la misma forma en ecuacin (2), si t = ta entonces iD(t)=IMIN, entonces:

    1

    tata

    MAXMIN eREceII

    Combinando las anteriores ecuaciones obtenemos:

    ae

    e

    II

    T

    tc

    MAX

    1

    1

    (1)

    (2)

  • ae

    ee

    II

    T

    Tta

    MIN

    1

    La ondulacin de la corriente de carga que representa el ripple pico a pico de la corriente ser:

    MINMAX III Realizando transformaciones tenemos:

    T

    TDDT

    e

    ee

    II

    1

    111

    Esta ecuacin nos muestra la ondulacin relativa de la corriente de carga en funcin de la razn cclica D.Desarrollando la serie exponencial y realizando aproximaciones es posible simplificar la expresin anterior a:

  • )1( DDTII

    La mxima ondulacin relativa de corriente de carga esta dada por:

    LfEI MAX 4

    De la relacin anterior, se verifica que para una tensin de alimentacin E, el valor de IMAX depende fundamentalmente de la inductancia L y de la frecuencia de conmutacin as:Cuanto mayor la frecuencia entonces menor la ondulacin mxima de corrienteCuanto mayor la inductancia entonces menor la ondulacin mxima de corrienteEn muchas aplicaciones donde el volumen de montaje es un parmetro importante a ser considerado, se recomienda el aumento de la frecuencia de conmutacin para disminuir IMAX.

  • . . .(1 ) (1 ).I I L fD D D D

    I T E

    Graficando:

    La ondulacion maxima ocurre para una razon ciclica igual a 0,5

    Tambien:

  • Convertidor Buck en conduccin discontinua

    En este tipo de conduccin, la corriente de carga se anula en t =to. El tiempo to es el tiempo necesario para descargar toda la energa almacenada en el campo magntico de la inductancia L, durante el intervalo de rueda libre, to es menor que el tiempo ta.

    La tensin media en la carga :

    T

    totc

    tc

    dtEcdtET

    Vcmd ..1

    0

    T

    totcTEcTtcEVcmd .

    Definiendo las relaciones Siguientes:

    TtcD , razn cclica para

    conduccin contina

  • TtotcDcd , razn cclica para conduccin discontinua

    Por tanto el voltaje medio en la carga ser: DcdaDEVcmd 1

    Para la corriente media tenemos: DcdaDIIcmd .

    En conduccin discontinua el control de la tensin media en la carga no solo depende de la razn cclica D, sino tambin de Dcd.

    DETERMINACION DE LA RAZON CICLICA:

    tctc

    MINMAX eREcEeII 1

    1

    tata

    MAXMIN eREceII

  • tc

    MAX eREcEI 1

    10

    toto

    MAX eREceI

    DT

    eaa

    to 111ln

    DeaaT

    DcdDT

    111ln

    Si t=to, IMIN=0

    tc to toDcd Dcd DT T T

    como

  • CONDUCCIN CRITICA

    La conduccin critica establece el limite entre la conduccin discontinua y continua, de la figura 2.9 tenemos.

    Figura 2.9 Forma de onda de la corriente

  • La razn cclica para conduccin discontinua esta dado por:

    TtotcDcd en conduccin critica to=ta, por lo tanto Dcd=1

    El valor medio de la tensin en la carga ser:Vcdm=D.E

    Para la corriente mediaIcdm=I(D-a)

    De la ecuacin

    ae

    eeI

    IT

    Tta

    M