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CONVERTIDOR DC-DC y CONVERTIDORES AC-AC.pdf

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UNIVERSIDAD NACIONAL DE SAN ANTONIO ABAD DEL CUSCO FACULTAD DE INGENIERÍA ELÉCTRICA, ELECTRÓNICA, INFORMÁTICA Y MECÁNICA ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERÍA ELECTRÓNICA CONVERTIDOR DC-DC y CONVERTIDORES AC-AC LABORATORIO DE SISTEMAS ELECTRÓNICOS DE POTENCIA Alumnos: Wilmer Rony Choquehuayta Sutta 170445 Danilo Sanchez Minaya 171923 Watner Ochoa Nuñez 171174 Docente: Ing. Jhohan Jancco Chara 21 de junio de 2023
Informe de laboratorio Convertidor dc-dc (elevador): https://www.youtube.com/watch?v=bDjMwM7nD9g&ab_channel=ACADENAS El convertidor DC-DC elevador, también conocido como "boost converter," eleva una tensión de entrada de corriente continua (Vin) a una tensión mayor de corriente continua (Vout). Su principio de funcionamiento se basa en un oscilador interno que genera una señal cuadrada de referencia para el control PWM. Un transistor de conmutación (Q) actúa como interruptor, permitiendo que la corriente fluya hacia una bobina (L) cuando está cerrado y descargando su energía almacenada cuando está abierto. Fuente: https://www.ti.com/lit/ds/symlink/lm2577.pdf?ts=1689901924038 La bobina (L) almacena energía durante la fase de conducción del transistor y la libera hacia un diodo rectificador (D) y un condensador de salida (Cout) durante la fase
de apagado del transistor. Esto genera una tensión de salida elevada (Vout) en comparación con la tensión de entrada (Vin). Fuente: https://es.wikipedia.org/wiki/Convertidor_elevador Para el diseño, se deben tener en cuenta el rango de tensión de entrada, que debe ser suficiente para el funcionamiento adecuado, y la tensión de salida, que debe ser menor o igual a 60 voltios y mayor que la tensión de entrada multiplicada por 10. La corriente de salida debe ser menor o igual a la tensión mínima de entrada multiplicada por 2.1 amperios. Además, la potencia de entrada debe ser mayor que la potencia de salida debido a las pérdidas en el regulador y las resistencias, lo que afecta la selección de la fuente de alimentación adecuada. Video 1 Convertidor dc-dc (reductor): https://www.youtube.com/watch?v=fP0ZZpKCxGA&ab_channel=ACADENAS
El circuito del video muestra un convertidor DC-DC reductor basado en el regulador integrado LM2576. Este tipo de circuito se utiliza para reducir una tensión de entrada variable a una tensión de salida deseada y constante. En este caso, se puede tomar una tensión de entrada que varíe entre 7 y 40 voltios y reducirla a una tensión de salida constante de 5 voltios, con una corriente máxima de 3 amperios. Fuente: https://www.ti.com/lit/ds/symlink/lm2576.pdf El regulador LM2576 es un regulador de tensión conmutado, lo que significa que utiliza un proceso de conmutación para regular la tensión de salida. A diferencia de los reguladores lineales como la familia 78-79, que desperdician energía en forma de calor, los reguladores conmutados ofrecen una mayor eficiencia energética, ya que controlan la corriente para obtener la tensión de salida deseada. El funcionamiento del circuito se basa en la conmutación de transistores en un inductor y la recuperación de la energía almacenada en el inductor para obtener una tensión de salida regulada. Esto se logra mediante un ciclo de encendido y apagado controlado por un comparador y una señal triangular generada internamente. El regulador compara la tensión de referencia (generalmente 1.23 voltios) con la tensión de salida real y ajusta la conmutación para mantener la tensión de salida constante.
Cuando el regulador está encendido, el interruptor se cierra y la corriente fluye a través del inductor, almacenando energía en forma de campo magnético. Cuando el interruptor se abre, el campo magnético del inductor colapsa y libera la energía almacenada hacia la carga, manteniendo la tensión de salida constante. El circuito también incluye un divisor de tensión para fijar la tensión de referencia en el regulador. Esto permite ajustar la tensión de salida deseada cambiando el valor de una de las resistencias externas. Así, con solo modificar el valor de una resistencia, se puede obtener una tensión de salida diferente sin cambiar el circuito principal. Video 3 En el video, se explican varios circuitos de control de potencia en corriente alterna utilizando tiristores SCR. Se enfoca en circuitos para controlar la potencia aplicada a cargas resistivas y cómo utilizar un módulo comercial para el disparo de los tiristores SCR. Se presentan tres circuitos diferentes para controlar la potencia aplicada a la carga mediante el ángulo de disparo de los tiristores. Circuito con dos tiristores SCR en antiparalelo: Se explica cómo se disparan los tiristores en cada semionda para obtener una onda alterna simétrica en la carga. El ángulo de disparo de los tiristores es de 90 grados para asegurar una distribución uniforme de la potencia en la carga. Circuito con dos tiristores SCR en serie con un rectificador de puente: En este circuito, los tiristores están conectados en serie con un rectificador de puente formado por cuatro diodos. Se muestra cómo se varía el ángulo de disparo para controlar la potencia aplicada a la carga y obtener una onda alterna asimétrica con diferentes ángulos de conducción en cada semionda.
Circuito con un solo tiristor SCR y disparo variable: En este caso, se utiliza un solo tiristor SCR y un circuito de disparo que permite variar el ángulo de conducción y, por lo tanto, el nivel de potencia entregado a la carga. Se muestra cómo al variar el ángulo de disparo, se puede controlar la forma de onda aplicada a la carga y ajustar la cantidad de potencia entregada. Además, se destaca la importancia de utilizar dispositivos de potencia adecuados y se menciona la necesidad de proteger los circuitos con fusibles para garantizar un funcionamiento seguro y confiable. Parte 2: ¿Qué son los troceadores? En electrónica de potencia, un "troceador" se refiere a un componente semiconductor de potencia, como tiristores (SCR), transistores de potencia (MOSFET, IGBT) o relés controlados por estado sólido (SSR), capaz de controlar el flujo de corriente o tensión de manera intermitente. Su función es regular la cantidad de potencia entregada a una carga mediante la alternancia entre un estado de conducción (encendido) y un estado de corte (apagado) en función de la señal de control que recibe. Esta capacidad de encender y apagar el flujo de potencia de manera controlada permite ajustar la potencia entregada a la carga, siendo útil en aplicaciones de control de velocidad de motores, control de temperatura, modulación de señales y otros usos en electrónica de potencia. Parte 3: Aplicaciones de convertidores DC-DC Carga de baterías: Gestiona la carga de baterías en dispositivos electrónicos y vehículos eléctricos. Reguladores de voltaje: Mantiene una tensión constante en circuitos integrados y sensores.
Energía solar: Adapta la tensión generada por paneles solares para su uso en la red eléctrica o cargar baterías. Iluminación LED: Ajusta la tensión y corriente para operar luces LED de manera eficiente. Sistemas de radiofrecuencia: Suministra tensiones adecuadas para comunicaciones inalámbricas. Microcontroladores y microprocesadores: Proporciona la tensión requerida para su funcionamiento. Electrónica de automoción: Adapta la tensión de la batería principal para sistemas electrónicos del vehículo. Electrónica aeroespacial: Alimentación en aplicaciones espaciales y aeronáuticas. Equipos de comunicación: Suministra energía a dispositivos de comunicación. Sistemas de audio y video: Proporciona la tensión adecuada para equipos de entretenimiento. Parte 4: Aplicaciones de convertidores AC-AC Variadores de velocidad: Controlan la velocidad de motores de CA en aplicaciones industriales y de tracción. Control de temperatura: Regulan la potencia suministrada a calentadores y sistemas de climatización. Regulación de voltaje: Ajustan la tensión de salida en equipos electrónicos y electrodomésticos. Estabilizadores de tensión: Mantienen una tensión de salida constante para proteger dispositivos sensibles.
Fuentes de alimentación: Transforman la tensión de la red eléctrica para alimentar diversos equipos electrónicos. Control de iluminación: Regulan la potencia suministrada a lámparas y sistemas de iluminación. Sistemas de audio y sonido: Acondicionan la potencia para amplificadores y altavoces en equipos de audio. Aplicaciones médicas: Utilizados en dispositivos médicos para controlar potencia y frecuencia de salida. Electrodomésticos: Adaptan la tensión y frecuencia para electrodomésticos con diferentes requerimientos. Sistemas de trasmisión de energía: En sistemas de distribución de energía, se pueden utilizar para cambiar la frecuencia de corriente alterna en redes interconectadas. Parte 5: Elija una aplicación sencilla para el caso del convertidor DC-DC y simule realizando cálculos teóricos (previo análisis). Luego, realice una tabla para comparar valores teóricos y simulados (Mínimo 5 valores teóricos y simulados)
Figura 1: Circuito convertidor DC-DC elevador. Figura 2: Señales respuesta del circuito convertidor DC-DC elevador.
Tabla 1: Parámetro Valor teórico Valor Experimental Error Vo 50 50 0 % Io 0.5 A 0.5 0 % Po 25 W 25 W 0 % I_L 0.625 A 0.626 A 0.16% Ii 0.625 A 0.626 A 0.16% Vi 40 V 40 V 0 % Pi 25 W 25.04 W 0.16 % Parte 6: Elija una aplicación sencilla para el caso del convertidor AC-AC y simule realizando cálculos teóricos (análisis). Luego, realice una tabla para comparar valores teóricos y simulados (Mínimo 5 valores teóricos y simulados)
Figura 3: Circuito convertidor AC-AC Figura 4: Señales respuesta del circuito convertidor AC-AC. Tabla 1: Parámetro Valor teórico Valor Experimental Error Vo_rms 161.88 163 0.7% Io_rms 0.76 A 0.765 A 0.7% Po 123 W 124.7 W 1.4% I_SCRrms 0.54 A 0.541 A 0.2% I_SCRmedia 0.241 A 0.242 A 0.4% Conclusiones: En este informe, se han analizado conversores DC-DC y AC-AC, su relación con la modulación por ancho de pulso (PWM) y el control mediante ángulo de disparo. En el caso del conversor DC-DC, los resultados experimentales mostraron un alto grado de precisión con una coincidencia casi exacta entre los valores teóricos y experimentales. El voltaje de salida alcanzó 50V, tanto teórica como experimentalmente, con un error del
0%. La corriente de carga fue de 0.5A en ambos casos, sin error. La potencia de salida fue de 25W teóricamente y 25W experimentalmente, con un error de 0%. Además, la corriente en el inductor y la corriente de entrada fueron de 0.625A, en comparación con el valor teórico de 0.625A, con un error del 0%. El voltaje de entrada fue de 40V, teórica y experimentalmente, sin error. La potencia de entrada fue de 25W teóricamente y 25.04W experimentalmente, con un error de 0.16%. En relación con el conversor AC-AC, se observó una buena aproximación entre los valores teóricos y experimentales. El voltaje de salida RMS fue de 161.88V teóricamente y 163V experimentalmente, con un error de 0.7%. La corriente de salida RMS fue de 0.76A teóricamente y 0.765A experimentalmente, con un error de 0.7%. La potencia de salida alcanzó 123W teóricamente y 124.7W experimentalmente, con un error de 1.4%. En cuanto a la corriente RMS del SCR, se obtuvo 0.54A teóricamente y 0.541A experimentalmente, con un error de 0.2%. La corriente media del SCR fue de 0.241A teóricamente y 0.242A experimentalmente, con un error de 0.2%. En conclusión, tanto el conversor DC-DC como el AC-AC demostraron un buen desempeño con resultados experimentales cercanos a los valores teóricos. La implementación de la modulación por ancho de pulso (PWM) y el control mediante ángulo de disparo resultaron efectivos para regular la tensión y corriente de salida en ambos tipos de conversores. Estos hallazgos respaldan la idoneidad de estos conversores para diversas aplicaciones, como el control de motores, la regulación de fuentes de alimentación y la adaptación de corriente y voltaje en dispositivos electrónicos. Sin embargo, se recomienda realizar ajustes y optimizaciones adicionales para minimizar las pequeñas discrepancias entre los valores teóricos y experimentales obtenidos.

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  • 2. Informe de laboratorio Convertidor dc-dc (elevador): https://www.youtube.com/watch?v=bDjMwM7nD9g&ab_channel=ACADENAS El convertidor DC-DC elevador, también conocido como "boost converter," eleva una tensión de entrada de corriente continua (Vin) a una tensión mayor de corriente continua (Vout). Su principio de funcionamiento se basa en un oscilador interno que genera una señal cuadrada de referencia para el control PWM. Un transistor de conmutación (Q) actúa como interruptor, permitiendo que la corriente fluya hacia una bobina (L) cuando está cerrado y descargando su energía almacenada cuando está abierto. Fuente: https://www.ti.com/lit/ds/symlink/lm2577.pdf?ts=1689901924038 La bobina (L) almacena energía durante la fase de conducción del transistor y la libera hacia un diodo rectificador (D) y un condensador de salida (Cout) durante la fase
  • 3. de apagado del transistor. Esto genera una tensión de salida elevada (Vout) en comparación con la tensión de entrada (Vin). Fuente: https://es.wikipedia.org/wiki/Convertidor_elevador Para el diseño, se deben tener en cuenta el rango de tensión de entrada, que debe ser suficiente para el funcionamiento adecuado, y la tensión de salida, que debe ser menor o igual a 60 voltios y mayor que la tensión de entrada multiplicada por 10. La corriente de salida debe ser menor o igual a la tensión mínima de entrada multiplicada por 2.1 amperios. Además, la potencia de entrada debe ser mayor que la potencia de salida debido a las pérdidas en el regulador y las resistencias, lo que afecta la selección de la fuente de alimentación adecuada. Video 1 Convertidor dc-dc (reductor): https://www.youtube.com/watch?v=fP0ZZpKCxGA&ab_channel=ACADENAS
  • 4. El circuito del video muestra un convertidor DC-DC reductor basado en el regulador integrado LM2576. Este tipo de circuito se utiliza para reducir una tensión de entrada variable a una tensión de salida deseada y constante. En este caso, se puede tomar una tensión de entrada que varíe entre 7 y 40 voltios y reducirla a una tensión de salida constante de 5 voltios, con una corriente máxima de 3 amperios. Fuente: https://www.ti.com/lit/ds/symlink/lm2576.pdf El regulador LM2576 es un regulador de tensión conmutado, lo que significa que utiliza un proceso de conmutación para regular la tensión de salida. A diferencia de los reguladores lineales como la familia 78-79, que desperdician energía en forma de calor, los reguladores conmutados ofrecen una mayor eficiencia energética, ya que controlan la corriente para obtener la tensión de salida deseada. El funcionamiento del circuito se basa en la conmutación de transistores en un inductor y la recuperación de la energía almacenada en el inductor para obtener una tensión de salida regulada. Esto se logra mediante un ciclo de encendido y apagado controlado por un comparador y una señal triangular generada internamente. El regulador compara la tensión de referencia (generalmente 1.23 voltios) con la tensión de salida real y ajusta la conmutación para mantener la tensión de salida constante.
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  • 8. Fuentes de alimentación: Transforman la tensión de la red eléctrica para alimentar diversos equipos electrónicos. Control de iluminación: Regulan la potencia suministrada a lámparas y sistemas de iluminación. Sistemas de audio y sonido: Acondicionan la potencia para amplificadores y altavoces en equipos de audio. Aplicaciones médicas: Utilizados en dispositivos médicos para controlar potencia y frecuencia de salida. Electrodomésticos: Adaptan la tensión y frecuencia para electrodomésticos con diferentes requerimientos. Sistemas de trasmisión de energía: En sistemas de distribución de energía, se pueden utilizar para cambiar la frecuencia de corriente alterna en redes interconectadas. Parte 5: Elija una aplicación sencilla para el caso del convertidor DC-DC y simule realizando cálculos teóricos (previo análisis). Luego, realice una tabla para comparar valores teóricos y simulados (Mínimo 5 valores teóricos y simulados)
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