Guia3 Electrónica de Potencia Dispositivos Electronicos de Potencia
Herramientas de simulación para electrónica de potencia
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Herramientas de simulación para electrónica de potencia
Aplicaciones Industriales de Convertidores Estáticos
Departamento de Electrónica
JRP/2004
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Aplicaciones Industriales de Convertidores Estáticos 2004
Contenidos
El Rectificador Boost
Simuladores:• Matlab-Simulink: Un resolvedor de ecuaciones• Matlab Power System Blockset (PSB)• PSPICE: Un resolvedor general de circuitos• Simplorer: Un resolvedor de circuitos de
electrónica de potencia
Resultados de la Simulación
Comentarios y Conclusiones
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Aplicaciones Industriales de Convertidores Estáticos 2004
v f v o
iL
T 1
iD
ici r+
-
+
-
i s+
-
v s
L
C R
Si T1 está encendido(ON):
Entonces,iL aumenta.
v f v o
iL
T 1
iD
ici r+
-
+
-
i s+
-
v s
L
C R
Entonces iL baja.
Si T1 está apagado (OFF):
v f v o
iL
T 1
iD
ici r+
-
+
-
i s+
-
v s
L
C R
El rectificador Boost
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Aplicaciones Industriales de Convertidores Estáticos 2004
ic
v f v o
iL
T 1
iD
i r+
-
+
-
i s+
-
v s
L
CR
Ecuaciones del Rectificador Boost
tVabsvabsv sf senˆ(1)
)( 11
1tvdi
Ctv o
t
t co (2)
tititi rDc (3)
R
tvti or (4)
off is T if ;on is T if ;0
1
1
LD i
ti(5)
off is T if ; 1
on is T if ; 1
11 t
t
11 t
t
1
1
tidvvL
tidvLti
Lof
LfL
(6)
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Aplicaciones Industriales de Convertidores Estáticos 2004
+-
+- PI
vo
v f
iL
vo ref T 1
v
iL ref
El sistema de Control
Control PI “lento” para el lazo de voltaje
.
Control ON-OFF “rápido”para el lazo de corriente
Un multiplicador
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Aplicaciones Industriales de Convertidores Estáticos 2004
Características:
• Representación gráfica de las ecuaciones físicas y eléctricas que rigen el sistema de potencia
• Sistema muy popular de simulación
• Potente herramienta de cálculo
Matlab-Simulink
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Aplicaciones Industriales de Convertidores Estáticos 2004
Matlab-Simulink
k
donde k=0 si T1 está en ON, o k=1 si T1 está en OFF.
1 t
t1 1 tidkvv
Lti LofL
kiti LD ??
off is T if ;on is T if ;0
1
1
LD i
ti
off is T if ; 1
on is T if ; 1
11 t
t
11 t
t
1
1
tidvvL
tidvLti
Lof
LfL
(5)
(6)
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Aplicaciones Industriales de Convertidores Estáticos 2004
Ventajas:
Las herramientas de dibujo de Matlab son variadas y fáciles de usar.
Simulink tiene una amplia librería de control la cual permite una fácil implementación de cualquier algoritmo de control.
Desventajas:No es posible incorporar en forma directa modelos reales de semiconductores.La complejidad del diagrama de bloques usado para simular el circuito aumenta drásticamente con el número de semiconductores.
k
Matlab-Simulink
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Aplicaciones Industriales de Convertidores Estáticos 2004
Características:
• Sistema de bloques basado en Matlab Simulink, que contiene bloques predefinidos que representan elementos electricos (Mosfet, GTO’s, resistencias etc....)
• Sistema relativamente nuevo
• Mantiene las potencialidades de Matlab Simulink
Matlab Power Sistem Blockset (PSB)
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Aplicaciones Industriales de Convertidores Estáticos 2004
Snubber
El diagrama de control en PSB es construido con las herramientas clásicas de Simulink.
Matlab Power Sistem Blockset (PSB)
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Aplicaciones Industriales de Convertidores Estáticos 2004
Ventajas:Es mucho más simple “escribir” el circuito de potencia que en Matlab-Simulink.
Desventajas:La ubicación y el valor exacto de los snubbers puede ser un aspecto bastante poco claro y no menor de la simulación.
Puede utilizar todas las ventajas de Matlab-Simulink.Contiene bloques especiales para motores AC/DC.
Puede presentar problemas de convergencia y resultados contradictorios.
Matlab Power Sistem Blockset (PSB)
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Aplicaciones Industriales de Convertidores Estáticos 2004
PSPICE: Un resolvedor general de circuitos
Características:
• Programa dedicado a la simulación de circuitos eléctricos
• Las versiones más nuevas cuentan con un ambiente gráfico, que genera el código a simular
• Posee múltiples herramientas de análisis de los datos y algoritmos de búsqueda de parámetros óptimos
• Herramienta bastante utilizada, y por ende con bastante documentación disponible
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Aplicaciones Industriales de Convertidores Estáticos 2004
* BOOST RECTIFIER
VSIN 1 2 SIN(0 311 50)DA 1 3 DIODEDB 2 3 DIODEDC 0 1 DIODEDD 0 2 DIODEL1 3 4 6MD1 4 5 DIODECOUT 5 0 1MSCARGA 5 0 41 0 SOUTSACT 4 0 74 0 SINT
.MODEL DIODE D
.MODEL SOUT VSWITCH (RON=50 ROFF=100)
.MODEL SINT VSWITCH
**LOAD SELECTORVSELCAR 41 0 PWL(0 0V 0.15 0V 0.151 1V 100 1V)RSELCAR 41 0 1MEG
** Controllers *** VOLTAGE:* FILTER:EFILT 51 0 VALUE={V(5)}RFILT 51 52 1KCFILT 52 0 4.5ULFILT 52 53 4.5RFILOUT 53 0 1MEG
* PI:EERRV 61 0 VALUE={380-V(53)}R1 61 62 1KRAMP1 62 0 2MEGRKP 62 63 243CKI 63 64 82.354URINAM1 64 65 75EAMP1 65 0 VALUE={-100000*V(62)}RINV1 64 66 1KRAMP2 66 0 2MEGRINV2 66 67 1KRINAM2 67 68 75EAMP2 68 0 VALUE={-100000*V(66)}ROUT 67 0 10K
* CURRENT:* CURRENT REFERENCEEREFC 71 0 VALUE={V(67)*V(3)/311}RREFC 71 0 1MEG
*Bang-Bang CONTROLLER:EERRC 72 0 VALUE={V(71)-I(L1)}R1H 72 73 1KC1 73 0 0.01N IC=5VR2H 73 74 4KEHY 74 0 TABLE {V(73)}=(-1,-5)(-0.05,-5)(0.05,5)(1,5)
* INITIAL CONDITIONS.IC V(73)=5
** Analisis **
.OPTIONS RELTOL=0.0017 VNTOL=10U ABSTOL=1M
.TRAN 10U 0.3 UIC
.PROBE V(5) V(3) I(L1)
.END
PSPICE: Un resolvedor general de circuitos
S act
+
-
+
-
v sin
L 1
C outR
D 1
VSIN 1 2 SIN(0 311 50)
12
3 4 5
0
DA 1 3 DIODEDB 2 3 DIODEDC 0 1 DIODEDD 0 2 DIODEL1 3 4 6MD1 4 5 DIODECOUT 5 0 1M SCARGA 5 0 41 0 SOUTSACT 4 0 74 0 SINT
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Aplicaciones Industriales de Convertidores Estáticos 2004
Ventajas:Representación muy simple de cualquier circuito eléctrico, en particular circuitos de electrónica de potencia.
Desventajas:Una amplia librería de elementos comerciales de electrónica.
Falta de funciones y elementos de control, los cuales deben ser implementados con elementos eléctricos.El seteo de los parámetros de simulación puede ser crítico, y no es fácil de hacer, para evitar problemas de convergencia numérica.No permite la visualización de resultados durante la simulación.
* BOOST RECTIFIER
VSIN 1 2 SIN(0 311 50)DA 1 3 DIODEDB 2 3 DIODEDC 0 1 DIODEDD 0 2 DIODEL1 3 4 6MD1 4 5 DIODECOUT 5 0 1MSCARGA 5 0 41 0 SOUTSACT 4 0 74 0 SINT
.MODEL DIODE D
.MODEL SOUT VSWITCH (RON=50 ROFF=100)
.MODEL SINT VSWITCH
**LOAD SELECTORVSELCAR 41 0 PWL(0 0V 0.15 0V 0.151 1V 100 1V)RSELCAR 41 0 1MEG
** Controllers *** VOLTAGE:* FILTER:EFILT 51 0 VALUE={V(5)}RFILT 51 52 1KCFILT 52 0 4.5ULFILT 52 53 4.5RFILOUT 53 0 1MEG
* PI:EERRV 61 0 VALUE={380-V(53)}R1 61 62 1KRAMP1 62 0 2MEGRKP 62 63 243CKI 63 64 82.354URINAM1 64 65 75EAMP1 65 0 VALUE={-100000*V(62)}RINV1 64 66 1KRAMP2 66 0 2MEGRINV2 66 67 1KRINAM2 67 68 75EAMP2 68 0 VALUE={-100000*V(66)}ROUT 67 0 10K
* CURRENT:* CURRENT REFERENCEEREFC 71 0 VALUE={V(67)*V(3)/311}RREFC 71 0 1MEG
*Bang-Bang CONTROLLER:EERRC 72 0 VALUE={V(71)-I(L1)}R1H 72 73 1KC1 73 0 0.01N IC=5VR2H 73 74 4KEHY 74 0 TABLE {V(73)}=(-1,-5)(-0.05,-5)(0.05,5)(1,5)
* INITIAL CONDITIONS.IC V(73)=5
** Analisis **
.OPTIONS RELTOL=0.0017 VNTOL=10U ABSTOL=1M
.TRAN 10U 0.3 UIC
.PROBE V(5) V(3) I(L1)
.END
PSPICE: Un resolvedor general de circuitos
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Aplicaciones Industriales de Convertidores Estáticos 2004
Simplorer: Un resolvedor de circuitos de electrónica de potencia
Características:
• Programa dedicado a la simulación de circuitos de electrónica de potencia
• Posee un entorno gráfico basado en bloques que representan elementos eléctricos
• No requiere de gran especialización
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Aplicaciones Industriales de Convertidores Estáticos 2004
Simplorer: Un resolvedor de circuitos de electrónica de potencia
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Aplicaciones Industriales de Convertidores Estáticos 2004
Ventajas:
Algoritmos de control muy estables.Fácil interacción entre los elementos eléctricos y el sistema de control.
Desventajas:Tratamiento de los datos y despliegue en pantalla potente y amistoso.
La implementación del sistema de control es menos flexible y amistoso que Matlab-Simulink.
Simplorer: Un resolvedor de circuitos de electrónica de potencia
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Aplicaciones Industriales de Convertidores Estáticos 2004
ic
v f v o
iL
T 1
iD
ir+
-
+
-
is+
-
v s
L
CR
6 [mH]
1 [mF]220 [V]50 [Hz]
50-100 []
+-
+- PI
vo
v f
iL
vo ref T 1
v iL ref
1.2
Parámetros de la Simulación
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Aplicaciones Industriales de Convertidores Estáticos 2004
Desempeño dinámico de la Corriente del inductor (iL )y del voltaje de salida (vo ).
Resultados de las Simulaciones
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Aplicaciones Industriales de Convertidores Estáticos 2004
Voltaje de entrada (vs ) y corriente de entrada (is )
Resultados de las Simulaciones
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Aplicaciones Industriales de Convertidores Estáticos 2004
Tiempo deSimulación.
Dificultadde uso
Elementosde Control
Simulink 10 [s] Alto Muy Bueno
PSB 293 [s] Medio Muy Bueno
PSPICE 104 [s] Medio Malo
Simplorer 53 [s] Bajo Bueno
Todas las pruebas se realizaron en un computador Pentium III 500 Mhz., 64 Mb.
Evaluación de los Simuladores
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Aplicaciones Industriales de Convertidores Estáticos 2004
PSPICE pocas herramientas de control y usualmente presenta problemas numéricos.
El ambiente Matlab tiene las herramientas de control más poderosas.
Matlab-Simulink es el simulador más rápido, sin embargo requiere de un tiempo de análisis inicial, para obtener las ecuaciones del sistema y una correcta representación en diagrama de bloques.
Las características eléctricas de Simplorer potenciadas con las las herramien-tas de control de Matlab-Simulink son la mejor alternativa.
PSB tiene una buena interfaz gráfica pero resulta ser demasiado lento y “mañoso”.
Simplorer permite una fácil implementación con un buen desempeño.
Comentarios y Conclusiones
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Aplicaciones Industriales de Convertidores Estáticos 2004
Condiciones de Simulación
Paso Variable Paso Variable/FijoPSB PSPICE Simulink Simplorer
Algoritmo Ode15s (stiff/NDF) Trapezoidal Ode5 (Dormand/Prince) Euler
Tolerancia Absoluta Auto. 310 310
Tolerancia Relativa 310 3105.1 Tam. Paso Max. 410 510 310
Tam. Paso Min. 510
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JRP/2004
Gracias por su atención
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