Convertidor impulso DC

Un convertidor de  impulso CD-CA: Análisis,

Diseño y Experimentación.

Ramón O. Cáceres, Miembro, IEEE, and Ivo Barbi, Miembro Mayor, IEEE

 Resumen - En este trabajo se propone una nueva fuente inversora de tensión (VSI) que se refiere como un inversor elevador o convertidor de impulso CD-CA. El atributo principal de la nueva topología de inversor es el hecho de que genera una tensión de salida de CA mayor que la entrada de corriente uno, dependiendo del ciclo de trabajo instantáneo. Esta propiedad no se encuentra en la clásica VSI, que produce una salida de corriente alterna instantánea siempre inferior a la entrada de corriente uno. Para el propósito de optimizar la dinámica del inversor de impulso, mientras se asegura el correcto funcionamiento en cualquier condición de trabajo, se propone un controlador de modo deslizante.  La principal ventaja del modo de control deslizante sobre los esquemas de control clásicos es su robustez para variaciones en los parámetros de la planta, lo que conduce a dinámicas invariantes y la respuesta de estado estacionario en el caso ideal. Operación, análisis, resultados de la estrategia de control y experimental, se incluyen en este documento. El nuevo inversor está destinado a ser utilizado en una fuente de alimentación ininterrumpible (UPS) y el diseño de sistemas de corriente alterna, cada vez que un conductor de voltaje de CA sea mayor que la tensión del circuito intermedio que se necesita, sin necesidad de una etapa de potencia de segunda conversión.

 Índice de Términos – inversor de impulso, inversor, control por modo deslizante.

1. INTRODUCCIÓN

 La fuente inversora de voltaje convencional (VSI) se muestra en la Figura. 1, referida como un convertidor buck en este documento, es probablemente la topología de convertidor de energía más importante.                     Se utiliza en muchas aplicaciones industriales y comerciales. Entre estas aplicaciones, las de fuente ininterrumpida de alimentación (UPS) y las unidades de motor de CA son las más importantes. Una de las características del inversor buck es que la tensión media instantánea de salida es siempre menor que el voltaje de entrada de CD.

 Como consecuencia, cuando una tensión de salida mayor que la de la entrada se necesita, un impulso convertidor CC-CD debe ser utilizado entre la fuente de CD y el inversor, como se muestra en la Figura. 2.                                           Dependiendo de los niveles de potencia y de tensión involucrados, esta solución puede resultar en alto volumen, peso, coste, y eficiencia reducida.

 En este documento, se propone un nuevo VSI, referido como un inversor de impulso, lo que naturalmente genera una salida de corriente alterna de voltaje inferior o mayor que la tensión de entrada de CD en función del ciclo de trabajo [1] - [5]. Los detalles sobre el análisis, el control y la experimentación son presentados en las secciones siguientes.

Manu scrito recibido en Mayo,1997;revisado Junio,1998; Recomendado por el Editor asociado K.Ngo.

R. O. Cáceres, de la Facultad de Ingeniería Electrónica y el Departamento de Comunicación, Universidad de los Andes, Mérida, Venezuela.

I.Barbi, del Departamento de Ingeniería Eléctrica, Instituto de Electrónica de Potencia (INEP),Universidad federal de Santa Catarina, 88040-970

Florianópolis,SC,Brazil.

Registro de identificación de la publicación S0885-8993(99)00299-9.

1. [pic 1]

Fig. 1. El  VSI convencional o inversor  buck.

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Fig. 2. Circuito utilizado para generar una tensión alterna mayor que la tensión de entrada de CD.

II. EL NUEVO INVERSOR Y EL PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO

 El proyecto del inversor de impulso CD-CA logra la conversión, como se indica en la Figura. 3, conectando la carga diferencialmente a través de dos convertidores CD-CD y modulando las tensiones de salida sinusoidal en el convertidor CD-CD. Este concepto ha sido discutido en [1] y [2], utilizando el convertidor de Cuk.

 Los bloques A y B representan los convertidores CD-CD. Estos convertidores producen una salida de onda sinusoidal CD-sesgada, de modo que cada única fuente produce un voltaje unipolar. La modulación de cada convertidor es de 180° fuera de fase con la otra, que maximiza la tensión de excursión en la carga. La carga está conectada diferencialmente a través de los convertidores. Así, mientras una polarización de corriente continua aparece en cada extremo de la carga, con respecto a la tierra, la tensión de CD diferencial a través de la carga es cero. La generación a la salida del voltaje bipolar es resuelta mediante un arreglo push-pull. Por lo tanto, los convertidores CD-CD necesitan ser de corriente bidireccional.

 La corriente bidireccional del convertidor de impulso CD-CD se muestra en la Figura. 4. Una implementación del circuito del convertidor de impulso CD-CA se muestra en la Figura. 5.

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Fig. 3. Un enfoque básico para lograr la conversión CD-CA, con características impulso.

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Fig. 4. El impulso de corriente bidireccional del convertidor CD-CD.

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Fig. 5. La propuesta CD-CA del convertidor impulso.

 Para un convertidor de impulso DC-CD, utilizando el concepto de promedio, se obtiene la relación de voltaje para el modo continuo de conducción dado por

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Donde D es el ciclo de trabajo.

La ganancia de voltaje, para el inversor de empuje, se puede derivar de la siguiente manera: asumiendo que los dos convertidores tienen 180° fuera de fase, entonces el voltaje de salida está dada por:

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Fig. 6. Características de la ganancia en CD.

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 La característica de ganancia del convertidor de impulso se muestra en la Figura. 6. Es interesante observar que la característica de tensión de salida cero se obtiene para D=0.5. Si el ciclo de trabajo se varía alrededor de este punto, habrá entonces una tensión alterna en la salida terminal.

III. ANÁLISIS DEL CONTROLADOR EN MODO DESLIZANTE.

 Para el propósito de optimizar la dinámica del inversor de impulso, mientras se garantice el correcto funcionamiento en cualquier condición de trabajo, un controlador en modo deslizante es un enfoque más factible.

 El control en modo deslizante se ha presentado como una buena alternativa para el control de los convertidores de potencia de conmutación [6] - [11]. La principal ventaja frente a los sistemas de control clásicos es su falta de susceptibilidad a plantar variaciones de los parámetros que conducen a invariantes dinámicas y de respuesta en estado estacionario en el caso ideal. En este trabajo se presenta un controlador en modo para el inversor elevador [10].

1. Descripción del Sistema.

 El convertidor de impulso CD-CA se muestra en la Figura. 7. Se incluyen fuentes de tensión de CD Vin, inductores de entrada L1 y L2, interruptores de alimentación S1-S4, capacitores C1 y C2, diodos de transferencia y de rueda libre D1-D4, y la resistencia de carga R1.

 El propósito principal de los controladores A y B es hacer que las tensiones de los capacitores V1 y V2 sigan lo más fielmente posible una referencia sinusoidal.

 La operación del convertidor de impulso se entiende mejor a través del conversor de impulso de corriente bidireccional de CD-CD como se muestra en la Figura. 8.

 En la descripción de la operación del convertidor, se supone que todos los componentes son ideales y que el convertidor funciona en un modo de conducción continúa. La Figura. 9 muestra dos modos de topologías para un período de funcionamiento.

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Fig. 7. El inversor elevador controlado por el modo deslizante.

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Fig.8. Circuito equivalente para el inversor de empuje.

 Cuando el interruptor S1 está cerrado y S2 abierto [fig. 9 (a)], la corriente iL1 aumenta linealmente bastante, el diodo D2 está polarizado en inversa, la  energía del capacitor C1 de la etapa de salida, y el voltaje V1 disminuyen.

 Una vez que el interruptor S1 está abierto y S2 se cierra [fig. 9 (b)], la corriente iL1 fluye a través del capacitor C1 y la etapa de salida. La corriente iL1 disminuye, mientras que el capacitor C1 se recarga.

 El modelado del espacio de estado del circuito equivalente con las variables de estado  iL1 y V1 está dada por

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 Donde γ es el estado de los conmutadores, v y vᶺ. son los vectores de las variables de estado (il1, V1) y sus derivadas con respecto al tiempo, respectivamente son,

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