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Sistemas de alimentación

Sistemas de alimentación. Universidad de Oviedo. Área de Tecnología Electrónica. ATE Univ. de Oviedo SISAL001.00. Fuente primaria de energía eléctrica. Sistema de Alimentación. +. Carga. (sistema electrónico). ¿Qué es un Sistema de Alimentación ?. ATE Univ. de Oviedo SISAL002.00.

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Presentation Transcript

  1. Sistemas de alimentación Universidad de Oviedo Área de Tecnología Electrónica ATE Univ. de Oviedo SISAL001.00

  2. Fuente primaria de energía eléctrica Sistema de Alimentación + Carga (sistema electrónico) ¿Qué es un Sistema de Alimentación ? ATE Univ. de Oviedo SISAL002.00

  3. Fuente primaria de energía eléctrica Carga1 a V1 Sistema de Alimentación + Carga2 a V2 Carga3 a V3 Múltiples cargas (multisalida) ATE Univ. de Oviedo SISAL003.00

  4. Fuente primaria1 a V1 Carga1 a V1 + Sistema de Alimentación Carga2 a V2 + Carga3 a V3 - Fuente primaria2 a V2 Múltiples cargas y fuentes ATE Univ. de Oviedo SISAL004.00

  5. Carga1 a V1 Bus + Convertidor1 (CA/CC) Convertidor3 (CC/CC) Fuente1 + Convertidor2 (CC/CC bidirec.) Carga2 a V2 - Convertidor4 (CC/CC) Fuente2 Sistema de Alimentación Carga3 a V3 Arquitectura de convertidores ATE Univ. de Oviedo SISAL005.00

  6. Fuentes primarias de Corriente Alterna (CA) ATE Univ. de Oviedo SISAL006.00

  7. Fuentes primarias de Corriente Continua (CC) ATE Univ. de Oviedo SISAL007.00

  8. Tipos de cargas electrónicas ATE Univ. de Oviedo SISAL008.00

  9. Sistema de Alimentación usado en centrales telefónicas Convertidor3 (CC/CC) + 5V cc Convertidor1 (CA/CC) Convertidor2 (CC/CC) Convertidor4 (CC/CC) Red de alterna 3,3V cc - Convertidor5 (CC/CC) Batería 48V 15V cc + Ejemplo de arquitectura (I) ATE Univ. de Oviedo SISAL009.00

  10. Sistema de Alimentación usado en aviónica Convertidor3 (CC/CC) 28 V cc Convertidor1 (CA/CC) Convertidor4 (CC/CA) Convertidor2 (CC/CC) Generador (turbina) 115 V ca, 400Hz + Baterías Generador Auxiliar (en tierra) - Ejemplo de arquitectura (II) ATE Univ. de Oviedo SISAL010.00

  11. Convertidores en los sistemas de alimentación • Convertidores CA/CC • Con alto contenido de armónicos de baja frecuencia. • Con bajo contenido de armónicos de baja frecuencia. • Convertidores CC/CC • Convertidores conmutados. • Convertidores lineales • Convertidores CC/CA ATE Univ. de Oviedo SISAL011.00

  12. Realimentación Carga Convertidores CC/CC basados en reguladores lineales (I) Idea básica ATE Univ. de Oviedo SISAL012.00

  13. Realimentación Carga Convertidores CC/CC basados en reguladores lineales (II) Realización física ATE Univ. de Oviedo SISAL013.00

  14. Convertidores CC/CC basados en reguladores lineales (III) Cálculo del rendimiento VT - Ig + IR IR Ig = (VO·IR) / (Vg·Ig)  VO / Vg + Vg VO - • El rendimiento depende de la tensión de entrada. • El convertidor sólo puede reducir la tensión de entrada. ATE Univ. de Oviedo SISAL014.00

  15. Carga1 +5V Red CA Carga2 +15V Carga3 -15V Sistemas basados en reguladores lineales Transformador de baja frecuencia Rectificadores Reguladores Lineales ATE Univ. de Oviedo SISAL015.00

  16. Sistema de alimentación basado en reguladores lineales • Pocos componentes. • Robustos • Sin generación de EMI • Pesados y voluminosos • Bajo rendimiento ATE Univ. de Oviedo SISAL016.00

  17. + VO PWM Vg - Carga Regulador conmutado VO Vg t Convertidores CC/CC conmutados (I) Idea básica Carga Regulador lineal ATE Univ. de Oviedo SISAL017.00

  18. Filtro pasa-bajos + + VF VO Vg - - VO Vg VF Vg VO t t Convertidores CC/CC conmutados (II) Filtrando la tensión sobre la carga + VO PWM Vg - ATE Univ. de Oviedo SISAL018.00

  19. + Filtro pasa-bajos + + VO VF Vg VO Vg - - - VF Vg VO VO Vg t t Convertidores CC/CC conmutados (III) ¿Se puede usar un filtro “C”? NO se puede ATE Univ. de Oviedo SISAL019.00

  20. Filtro pasa-bajos + + + VF VO Vg VO - - - Convertidores CC/CC conmutados (IV) ¿Se puede usar un filtro “LC” sin más? iL Vg NO se puede porque interrumpe bruscamente la corriente en la bobina ATE Univ. de Oviedo SISAL020.00

  21. Filtro pasa-bajos + + + + VF VO Vg Vg VO - VF - - - VF Vg VO t Convertidores CC/CC conmutados (V) El primer convertidor básico: El convertidor REDUCTOR (Buck) este diodo soluciona los problemas ATE Univ. de Oviedo SISAL021.00

  22. Mando t iL iS= iL + t iL - Vg iS iS VO t VO iD iD Vg t + iD= iL d·T - VO T Análisis del convertidor reductor (Buck) (I) • Hipótesis del análisis: • La tensión de salida no varía en un ciclo de conmutación. • La corriente en la bobina no llega a valer nunca cero (modo continuo de conducción). Durante d·T Durante (1-d)·T ATE Univ. de Oviedo SISAL022.00

  23. + Circuito en régimen permanente vL = 0 - iC = 0 Análisis del convertidor reductor(II) • ¿Cómo calcular la relación entre variables eléctricas? • Para ello, vamos a recordar dos propiedades de las bobinas y de los condensadores en circuitos que estén en régimen permanente: • La tensión media en una bobina es nula. • La corriente media en un condensador es nula. En caso contrario, crecería indefinidamente la corriente en la bobina y la tensión en el condensador (incompatible con el régimen permanente). ATE Univ. de Oviedo SISAL023.00

  24. Mando t Circuito en régimen permanente iL + iL t vL = 0 - vL + t - d·T T Análisis del convertidor reductor(III) Frecuentemente, cuando se opera en “modo continuo de conducción”, la forma de onda de tensión en la bobina es rectangular  “suma de productos voltios·segundos = 0” Áreas iguales ATE Univ. de Oviedo SISAL024.00

  25. vL = 0 + - + Mando IO iL VO t Vg iC = 0 R iL - IO t vL Vg- VO + (Vg- VO)·d·T - VO·(1-d)·T = 0 VO = d·Vg t - - VO d·T T iL = IO = VO/R Análisis del convertidor reductor(IV) • Aplicación del balance “suma de productos voltios·segundos = 0” • Corriente media nula por el condensador ATE Univ. de Oviedo SISAL025.00

  26. iS vS IO + - + iL + VO Vg vD iD R - - iS iS t iS = IO·VO/Vg iS = IO·d iD iD t d·T T iD = iL - iSiD = IO·(1-d) Análisis del convertidor reductor(V) • Tensiones máximas vS max = vD max = Vg • Aplicación del balance de potencias • Corriente media por el diodo ATE Univ. de Oviedo SISAL026.00

  27. vL = 0 + - vD + + Vg vD vD VO R Vg - - t d·T T vD = d·Vg vD = vL + VOvD = vL + VO = VO Luego: VO = d·Vg Análisis del convertidor reductor(VI) Otra forma de razonar (I): ATE Univ. de Oviedo SISAL027.00

  28. IO ig + VO = Vg·d VO R Vg - IO = ig/d 1 : d Análisis del convertidor reductor(VII) Otra forma de razonar (II): Transformador ideal de continua Esta forma de razonar es válida para cualquier convertidor no disipativo (combiando la relación de transformación). ATE Univ. de Oviedo SISAL028.00

  29. Controlado por el mando VO R Vg VO Convertidor reductor Vg Incontrolado d VO 1-d Vg Flujo de potencia ¿Es posible encontrar un convertidor que eleve tensión? (I) Partimos del convertidor reductor: ATE Univ. de Oviedo SISAL029.00

  30. d d 1-d VO 1-d Vg 1-d d VOVg VgVO Flujo de potencia Flujo de potencia Vg d ¿Es posible encontrar un convertidor que eleve tensión? (II) Cambiamos las V Reductor Otro convertidor Este interruptor tiene que ser el controlado por el mando. Si no fuera así, habría un corto circuito permanente ATE Univ. de Oviedo SISAL030.00

  31. 1-d 1-d Vg VO d VO Vg d Flujo de potencia Flujo de potencia Vg VO ¿Es posible encontrar un convertidor que eleve tensión? (III) Cambiamos la forma de dibujar el circuito Convertidor ELEVADOR (Boost) ATE Univ. de Oviedo SISAL031.00

  32. vD vS - + + - + + VO VO Vg vD Vg vS - - Reductor Elevador Modificaciones d 1-d 1-d d VOVg VgVO VO<VgVO>Vg El convertidor reductor frente al elevador VO = Vg/(1-d) VO = Vg·d Siempre VO<Vg Siempre VO>Vg vS max = vD max = Vg vS max = vD max = VO ATE Univ. de Oviedo SISAL032.00

  33. iL iD iL= iS Mando Vg t VO iS iL Vg iL t iL= iD iS iS + t - Vg VO iD iD Durante (1-d)·T t iL = IO·VO/Vg iS = iL·d d·T T iD = iL·(1-d) Análisis del conv. elevador (Boost) (En modo continuo de conducción) IO R Durante d·T • Balance voltios·segundos Vg·d·T+(Vg-VO)·(1-d)·T = 0 VO = Vg/(1-d) • Balance de potencias ATE Univ. de Oviedo SISAL033.00

  34. R Vg El cortocircuito y la sobrecarga en el convertidor elevador Este camino de circulación de corriente no puede interrumpirse actuando sobre el transistor. El convertidor no se puede proteger de esta forma. ATE Univ. de Oviedo SISAL034.00

  35. + + 1-d d Vi Vg Vo d 1-d - - Reductor Elevador d 1-d Vg VO VO d Vg 1-d ¿Es posible encontrar un convertidor que pueda reducir y elevar? (I) VO/Vg = (VO/Vi )·(Vi/Vg ) = d/(1-d) ATE Univ. de Oviedo SISAL035.00

  36. A B A B d 1-d Vg Vg VO d 1-d A B + - VO ¿Es posible encontrar un convertidor que pueda reducir y elevar? (II) Durante d·T Durante (1-d)·T ¿Es posible agrupar interruptores? Basta invertir el terminal común (masa) en el subcircuito de (1-d)T ATE Univ. de Oviedo SISAL036.00

  37. A B d A 1-d Vg VO B Vg A - B + VO ¿Es posible encontrar un convertidor que pueda reducir y elevar? (III) Durante d·T Durante (1-d)·T ATE Univ. de Oviedo SISAL037.00

  38. vD vS - + - + 1-d d - + VO VO vL Vg Vg R + - El convertidor reductor-elevador(buck-boost) (I) • Balance voltios·segundos Vg·d·T - VO·(1-d)·T = 0 VO = Vg·d/(1-d) • Tensiones máximas vS max = vD max = Vg+VO= Vg/(1-d) ATE Univ. de Oviedo SISAL038.00

  39. Mando - IO iS iD t VO iL Vg iL iL R + t iS iS iD = IO = VO/R t iD iD iS = IO·VO/Vg iS = IO·d/(1-d) t d·T T iL = iD + iSiL = IO/(1-d) El convertidor reductor-elevador (II) • Corriente media por el diodo • Balance de potencias • Corriente media por la bobina ATE Univ. de Oviedo SISAL039.00

  40. TD1 TS1 TB1 TC1 d Reductor 1-d TB2 TC2 TL1 Reductor-elevador TL1 TS1 TL1 TD1 TD1 TS1 Elevador Otra forma de generar los convertidores básicos ATE Univ. de Oviedo SISAL040.00

  41. 1A (medios) L 2A vS max = vD max = 100V iS=1A iD=1A iL=2A 50V S D 100V 100W VAS = 100VA VAD = 100VA Reductor 1A (medios) 2A D vS max = vD max = 150V S 50V iS=1A iD=2A iL=3A L 100V 100W VAS = 150VA VAD = 200VA Reductor-elevador Comparando reductor y reductor-elevador Las solicitaciones eléctricas en el reductor-elevador son mayores ATE Univ. de Oviedo SISAL041.00

  42. 4A (medios) 2A vS max =vD max = 50V L iS=2A iD=2A iL=4A D 50V 25V S 100W VAS = 100VA VAD = 100VA Elevador 4A (medios) 2A D vS max = vD max = 75V S 50V iS=4A iD=2A iL=6A L 25V 100W Reductor-elevador Comparando elevador y reductor-elevador VAS = 300VA VAD = 150VA Las solicitaciones eléctricas en el reductor-elevador son mayores ATE Univ. de Oviedo SISAL042.00

  43. iL iL iL IO Convertidor con 1 bobina y 1 diodo t + VO Mando Vg R t - d·T T iL = IO (reductor) iL = IO/(1-d) (elevador y reductor-elevador) El modo de conducción en los tres convertidores básicos (I) (sólo una bobina y un diodo) El valor medio de iL depende de IO: ATE Univ. de Oviedo SISAL043.00

  44. iL iL iL iL iL iL El modo de conducción en los tres convertidores básicos (II) R1 • Al variar IO varía el valor medio de iL • Al variar IO no varían las pendientes de iL (dependen de Vg y de VO) t R2 > R1 Todos los casos corresponden al llamado “modo continuo de conducción” (mcc), en el que es válido todo lo estudiado t Rcrit > R2 Este es el caso crítico t ATE Univ. de Oviedo SISAL044.00

  45. Rcrit iL iL t R3 > Rcrit iL iL t R3 > Rcrit iL iL t El modo de conducción en los tres convertidores básicos (III) ¿Qué pasa si R > Rcrit ? Sigue el modo continuo Modo discontinuo ATE Univ. de Oviedo SISAL045.00

  46. iL iL R = Rcrit iL iL t iL Comparación de la tensión de salida en ambos modos de conducción R< Rcrit Recuérdese: Al variar IO varía el valor medio de iL t Con parte negativa (modo continuo a baja carga), la tensión de salida sería la calculada en modo continuo. Cuando estamos en discontinuo no existe la parte negativa, lo que causa que la corriente media en la bobina crezca y por tanto lo haga la corriente y la tensión de salida. R > Rcrit iL t ATE Univ. de Oviedo SISAL046.00

  47. iL t iL t iL t Nos acercamos a las condiciones críticas (y por tanto al modo discontinuo) si: • Bajamos el valor de las bobinas (aumentan las pendientes) • Bajamos el valor de la frecuencia (aumentan los tiempos en los que la corriente está subiendo o bajando) • Aumentamos el valor de la resistencia de carga (disminuye el valor medio de la corriente por la bobina) ATE Univ. de Oviedo SISAL047.00

  48. Mando t iL iL t iD iD t vL VO Vg + - t d·T d’·T VO VO Vg T Vg Vg VO (d’·T) (1-d-d’)·T (d·T) Modo discontinuo de conducción • Existen 3 estados distintos: • Conduce el transistor (d·T) • Conduce el diodo (d’·T) • No conduce ninguno (1-d-d’)·T Ejemplo Vg VO ATE Univ. de Oviedo SISAL048.00

  49. iLmax iL iL VO Vg t iLmax (d·T) iD iD VO = L·iLmax/(d’·T) iD = iLmax·d’/2 iD = VO/R t vL Vg VO Vg + (d’·T) - t VO d·T d’·T T Relación de transformación en modo discontinuo (en el reductor-elevador) Vg = L·iLmax/(d·T) Relación de transformación M=VO/Vg : M =d/(k)1/2, siendo: k =2·L / (R·T) ATE Univ. de Oviedo SISAL049.00

  50. Rcrit iL iL t Frontera entre modos de conducción (en el reductor-elevador) • Relación de transformación en discontinuo, M: • M = d / (k)1/2, siendo: k = 2·L / (R·T) • Relación de transformación en continuo, N: • N = d / (1-d) • En la frontera: M = N, R = Rcrit , k = kcrit • kcrit = (1-d)2 • Modo continuo:k > kcrit • Modo discontinuo:k < kcrit ATE Univ. de Oviedo SISAL050.00

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