Diseño de circuito usando "PSIM" (Regularores de tipo Buck, Boost y Cuk para aumentar la eficiencia)

in #spanish2 years ago

  Soy estudiante de ingeniería electrónica de la Universidad Simón Bolívar de Venezuela (USB), hace unos trimestres me encontraba cursando la materia “Electrónica de los sistemas de adquisición y procesamiento industrial 2” donde se nos asignó la tarea de diseñar una fuente de alimentación de distintos valores utilizando los reguladores de tipo Buck y Cuk para ser empleados en algunos bloques del vehículo eléctrico y aumentar la eficiencia de los conversores.

  Objetivos:

  Implementación de lazos de retroalimentación en los conversor tipo Buck, Boost y Buck/Boost para el aumento de eficiencia en los mismos.

  Implementación de un inversor capaz de transformar una señal DC a una AC con una frecuencia variable.

  Especificaciones:

  Etapa de Adquisición:

  • 24 V @ 200 mA.

  • -24 V @ 200 mA.

  • 5 V @ 100 mA (95% de eficiencia).

  Etapa de Procesamiento:

  • 3.3 V @ 10 mA (95% de eficiencia).

  • 5 V @ 1 A.

  Etapa Actuadores

  • Tracción 48 V pico-pico @ 5 A. con una frecuencia variable de 40 Hz a 60 Hz.

  • Movimiento de espejos: 5V @ 500 mA.

  Procedimiento y Resultados:

  La idea de la retroalimentación es mejorar la eficiencia de la fuente de alimentación ya que, si ocurren variaciones de la señal de entrada, el sistema reacciona para compensar dicha variación, si la señal disminuye, el controlador aumentaría el ciclo de trabajo para mantener constante la señal de salida.

  Para esta práctica se empleara un sistema de control PWM por muestra de tensión y de corriente según sea el caso.

  El control PWM por muestra de tensión donde la señal de muestra es comparada con una tensión de referencia, cuyo valor, depende de la magnitud que se quiere en la salida. En la comparación se utiliza una señal triangular cuyo ciclo de trabajo dependerá de lo que se pida en la salida y cuya frecuencia también es fijada.

  El control PWM por muestra de corriente donde la señal de muestreo es la corriente. La señal de corriente se tomara desde el inductor ya que ahí se producen las máximas variaciones de la corriente. Para este control se procede igual que en el control de PWM por muestra de tensión con la diferencia de tomar una corriente de referencia en vez de un voltaje.

  Para la conversión DC-AC donde la configuración será de tipo monofásica, donde existen dos conmutadores (MOSFET) que actuaran como “switch” implementando dos estados (uno encendido y otro apagado o viceversa). La forma de onda generada por un inversor monofásico es una cuadrada de valores máximos Vcc/2 y –Vcc/2 respectivamente.

  Etapa de Adquisición:

  Regulador para obtener 24V @ 200mA :

  El uso del amplificador diferencial es para cumplir la siguiente relación:

  V4 = G*(Vo-Vref), donde G es la amplificación del error que se obtiene en la salida. El valor de la fuente triangular tendrá la frecuencia de conmutación (100Khz) y el valor del ciclo de trabajo k (0.5).

  Para la frecuencia de conmutación a 100Khz, un valor máximo de 20 mA y 2.4V de rizado, se requiere un valor del inductor por lo menos de 6 mH y mayor a 10.42 nF.


Buck de 24V @ 200 en PSIM. (Imagen propia)


Señales de salida en PSIM. (Imagen propia)

  Regulador de 5V @ 100mA:

  El uso del amplificador diferencial es para cumplir la siguiente relación:

  V4 = G*(Vo-Vref), donde G es la amplificación del error que se obtiene en la salida. El valor de la fuente triangular tendrá la frecuencia de conmutación (100Khz) y el valor del ciclo de trabajo k (0.104).

  Para la frecuencia de conmutación a 100Khz, un valor máximo de 10 mA y 5mV de rizado, se requiere un valor del inductor por lo menos de 12mH y mayor a 250nF.


Buck de 5V @ 100mA en PSIM. (Imagen propia)

  A continuación se muestran:

  Grafica superior (V3): Voltaje de salida.

  Grafica Inferior (I3): Corriente de salida:


Señales de salida en PSIM. (Imagen propia)

  Etapa de Procesamiento:

  Regulador para obtener 3.3V @ 10mA:

  El uso del amplificador diferencial es para cumplir la siguiente relación:

  V4 = G*(Vo-Vref), donde G es la amplificación del error que se obtiene en la salida. El valor de la fuente triangular tendrá la frecuencia de conmutación (100Khz) y el valor del ciclo de trabajo k (0.068).

  Para la frecuencia de conmutación a 100Khz, un valor máximo de 1 mA y 33mV de rizado, se requiere un valor del inductor menor a 120mH y mayor a 37nF.


Buck de 3.3V @ 10mA en PSIM. (Imagen propia)

  Grafica Superior (V3): Voltaje de Salida:

  Grafica Inferior (I3): Corriente de Salida


Señales de salida en PSIM. (Imagen propia)

  Regulador para obtener 5V @ 1 A:

  El uso del amplificador diferencial es para cumplir la siguiente relación:

  V4 = G*(Vo-Vref), donde G es la amplificación del error que se obtiene en la salida. El valor de la fuente triangular tendrá la frecuencia de conmutación (100Khz) y el valor del ciclo de trabajo k (0.104).

  Para la frecuencia de conmutación a 100 Khz, con un valor máximo de 10mA y 250 mV de rizado, se requiere un valor del inductor menor a 12mH y mayor a 50nF.


Buck de 5V @ 1 A en PSIM. (Imagen propia)

  Grafica superior (V3): Voltaje de Salida.

  Grafica Inferior (I3): Corriente de Salida.


Señales de salida en PSIM. (Imagen propia)

  Etapa de tracción:

  Regulador para obtener 5V @ 500mA:

  El uso del amplificador diferencial es para cumplir la siguiente relación:

  V4 = G*(Vo-Vref), donde G es la amplificación del error que se obtiene en la salida. El valor de la fuente triangular tendrá la frecuencia de conmutación (100Khz) y el valor del ciclo de trabajo k (0.104).

  Para la frecuencia de conmutación a 100Khz, un valor máximo de 50 mA y 250 mV de rizado, se requiere un valor del inductor por lo menos de 2.4 mH y mayor a 250nF.


Buck de 5V @ 500mA en PSIM. (Imagen propia)

  Grafica superior (V3): Voltaje de Salida.

  Grafica Inferior (I3): Corriente de Salida.


Señales de salida en PSIM. (Imagen propia)

  Tracción 48Vp-p @ 5 A con frecuencia entre 40 Hz y 60Hz:

  Para el inversor monofásico se desea una señal simétrica de 24 Vp o 48 Vp-p. Se aplicaran controladores de señal cuadrada que operen con un ciclo de trabajo 50% esto con el fin que sea simétrica la señal de salida. La fase de un generador será de 0° y la otra de 180° con una tensión de salida máxima. ¨Por último los valores de ambos capacitores cumplirán con la relación Vc(t) = Vcc/2. Como 24 F es muy grande, tomaremos 22000uF.

  A 60 Hz:


Circuito a 60hz en PSIM. (Imagen propia)

  Grafica superior (V3): Voltaje de Salida.

  Grafica Intermedio (V1): Señal cuadrada con alfa = 0°.

  Grafica Inferior (V2): Señal cuadrada con alfa 0 180°.


Señales de salida y entrada en PSIM. (Imagen propia)

  A 40 Hz:


Circuito a 40Hz en PSIM. (Imagen propia)

  Grafica superior (V3): Voltaje de Salida.

  Grafica Intermedio (V1): Señal cuadrada con alfa = 0°.

  Grafica Inferior (V2): Señal cuadrada con alfa 0 180°.



Señales de salida y entrada en PSIM. (Imagen propia)

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Bastante interesante. Esperamos que puedas seguir compartiendo los proyectos que haces en la universidad con toda la comunidad.

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