TRABAJO POTENCIA - Convertidor CD-CD en Operación Elevadora.

Universidad Tecnológica Nacional

Facultad Regional Paraná

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Electrónica de Potencia

Trabajo Práctico

“Convertidor CD-CD en Operación Elevadora”

Convertidores de CD-CD

Introducción

En muchas aplicaciones industriales es necesario convertir una fuente de poder de corriente continua de voltaje fijo a una fuente de corriente continua de voltaje variable. Un convertidor de corriente continua (CD), convierte directamente de CD a CD. Este convertidor se puede considerar como el equivalente a un transformador de corriente alterna (CA) con una relación de vueltas que varía en forma continua. Al igual que un transformador, puede utilizarse como una fuente de CD reductora o elevadora de voltaje.

Los convertidores CD-CD se utilizan ampliamente en el control de los motores de tracción de automóviles eléctricos, tranvías eléctricos, grúas marinas, montacargas y elevadores de minas. Proporcionan control en aceleraciones continuas, una alta eficiencia y una respuesta rápida dinámica. Estos convertidores también se pueden utilizar en el freno regenerativo de motores de CD para devolver la energía a la alimentación, característica que da como resultado un ahorro en aquellos sistemas de transporte que tiene paradas frecuentes. Los pulsadores se utilizan en los reguladores de voltaje de CD, y también, junto con la inductancia, para generar una fuente de CD, especialmente para el inversor de CD.

Principio de Operación Elevadora

Un convertidor se puede utilizar para elevar un voltaje de CD, una disposición para una operación elevadora aparece en la siguiente figura:

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Cuando el interruptor SW se cierra durante el tiempo t1, la corriente del inductor se eleva y la energía se almacena en el inductor L. Si durante el tiempo t2 el interruptor SW se abre, la energía almacenada del inductor se transfiere a la carga a través del diodo D1 y la corriente del inductor se abate. Si suponemos un flujo continuo de corriente, la forma de onda para la corriente del inductor aparece en la siguiente figura:

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Cuando el convertidor está activado, el voltaje a través del inductor es:

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Y esto nos da la corriente de la componente ondulatoria pico a pico en el inductor, como:

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El voltaje instantáneo de salida es:

[pic 6],

donde:

Vs= Voltaje de entrada

Vo= Voltaje de salida

K = Ciclo de trabajo

Como se observa en la primer figura con líneas punteadas, si se conecta un capacitor CL grande a través de la carga, el voltaje de salida será continuo y V0 se convertirá en el valor promedio Va.

De esta última ecuación se puede observar que el voltaje a través de la carga se puede elevar variando el ciclo de trabajo k, y que el voltaje de salida mínimo es Vs cuando k=0. Sin embargo, el convertidor no se puede conectar continuamente de forma que k=1. Para valores de k que tienden a la unidad, el voltaje de salida se hace muy grande y resulta muy sensible a los cambios en k, tal como se observa en la siguiente figura:

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Este principio puede aplicarse para transferir energía de una fuente de voltaje a otra tal y como se muestra en la siguiente figura:

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Los circuitos equivalentes para los modos de operación son:

[pic 9][pic 10]

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Las formas de corriente se observan:

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La corriente del inductor para el modo 1 está dada por:

[pic 13]

Y se expresa en la forma:

[pic 14],

donde I1 es la corriente inicial para el modo 1.

Durante este modo, la corriente debe elevarse siendo la condición necesaria

[pic 15]    o    [pic 16]

La corriente para el modo 2 está dada por:

[pic 17]

Y se resuelve:

[pic 18], donde I2 es la corriente inicial para el modo 2.

Para un sistema estable, la corriente sebe abatirse y la condición es:

[pic 19]    o    [pic 20]

Si no se satisface esta condición, la corriente del inductor se seguirá elevando y tendrá lugar una situación de inestabilidad. Por lo tanto, las condiciones para una transferencia de potencia controlable son:

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Esta última ecuación indica que le voltaje de la fuente Vs debe ser menor que el voltaje E, para permitir la transferencia de potencia de una fuente fija (o variable) a un voltaje fijo de CD. En el frenado eléctrico de motores de CD, donde los motores operan como generadores de CD, el voltaje terminal se abate conforme se reduce la velocidad de la máquina. El convertidor permite la transferencia de potencia a una fuente fija de CD.

Cuando el pulsador está activado, la energía se transfiere desde la fuente Vs hasta el inductor L. Si a continuación el pulsador se desactiva, una magnitud de la energía almacenada al inductor es forzada a la batería E.

Sin la aplicación pulsadora, vs debe ser mayor que E para transferir potencia desde Vs hasta E.

Reguladores en modo de Conmutación

Los convertidores de CD se pueden utilizar como reguladores en modo de conmutación para convertir un voltaje de CD, por lo general no regulado, a un voltaje de salida de CD regulado. La regulación se consigue por lo general mediante la modulación de ancho de pulso PWM a una frecuencia fija, y el dispositivo de conmutación por lo general es un BJT, MOSFET o IGBT de potencia.

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