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INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL

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ENRIQUE OGUHEL RAMIREZ ORTEGA

MMÉÉXXIICCOO,, DD.. FF.. 22001122

DESARROLLO DE CONVERTIDOR CD-CD PARA

SUPERCAPACITOR CON APLICACIÓN EN

TRACCIÓN ELÉCTRICA

EESSCCUUEELLAA SSUUPPEERRIIOORR DDEE IINNGGEENNIIEERRÍÍAA MMEECCÁÁNNIICCAA YY EELLÉÉCCTTRRIICCAA

iv

DEDICATORIA A mi Padre Enrique Ramírez Hernández. A mi Madre María Juana Socorro Ortega Badillo. A mi Esposa Jessica Cervantes Camacho. A mi Hijo Victor Enrique Ramírez Cervantes. A la familia Cervantes Camacho.

DESARROLLO DE CONVERTIDOR CD-CD PARA SUPERCAPACITOR CON APLICACIÓN EN TRACCIÓN ELÉCTRICA

v

vi

AGRADECIMIENTOS Agradezco la oportunidad brindada por estudiar en la Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica unidad Zacatenco del Instituto Politécnico Nacional. A mis asesores de tesis, el M. en C. Pedro Francisco Huerta González y el Dr. Edgar Peralta Sánchez por formar parte de este proyecto y dirigir esta tesis hasta su culminación. Al Dr. Jaime José Rodríguez Rivas por ser un tercer asesor para este trabajo. Al jurado de tesis conformado por el Ing. Mauricio Darío Sánchez Ramos y Dr. Roberto Baca Arroyo por las recomendaciones ofrecidas para mejorar este trabajo. Al ICYTDF por permitir trabajar en el proyecto “Desarrollo de un vehículo eléctrico supercap para la ciudad de México” con No PICC010-95 y lograr desarrollar el contenido

de esta tesis.

A mis profesores de la especialidad de electrónica por sus enseñanzas.


vii

viii

RESUMEN En este trabajo se muestra el diseño, construcción y aplicación de un convertidor CD-CD que permite accionar un motor de CD alimentado por un supercapacitor. Este convertidor CD-CD está conformado por dos convertidores CD-CD, un convertidor elevador que a su salida tiene conectado un convertidor reductor. El convertidor CD-CD elevador está controlado para que a su salida mantenga un voltaje fijo de 48 Volts aunque el voltaje de entrada que es proporcionado por el supercapacitor tenga un rango de variación desde 48 Volts hasta 24 Volts, a su salida está conectado un convertidor CD-CD reductor. El convertidor CD-CD reductor es el encargado de permitir el accionamiento de un motor de CD serie por medio de una etapa de control que permite a un usuario manipular el accionamiento.


ix

x

ABSTRACT

This thesis addresses the design, construction and commissioning of a DC-motor drive based on a DC-DC converter fed by a supercapacitor module. The DC-DC converter is comprised by two DC-DC converters (boost, buck converters) connected in cascade.

The boost converter keeps its output voltage at a constant value of 48V by means of a voltage controller. This controller is able to compensate the supercapacitor voltage variation from 24V to 48V.

The buck converter drives the DC motor which is connected in a series configuration as usual in electric traction systems.


xi

xii

CONTENIDO

Descripción Página

DEDICATORIA iv

AGRADECIMIENTOS vi

RESUMEN viii

ABSTRACT x

CONTENIDO xii

LISTA DE FIGURAS xvi

LISTA DE TABLAS xix

LISTA DE ECUACIONES xxi

NOMENCLATURA xxiv

CAPITULO I: INTRODUCCIÓN 1

1.1 JUSTIFICACIÓN 1

1.2 OBJETIVOS 1

1.2.1 Objetivo General 1

1.2.2 Objetivos Particulares 2

1.3 MARCO TEÓRICO SOBRE VEHÍCULOS ELÉCTRICOS 2

1.3.1 Tipos de Vehículos Eléctricos 2

1.4 TIPOS DE FUENTES DE ALIMENTACIÓN 5

1.4.1 Baterías 6

1.4.2 Supercapacitores 6

1.5 CONVERTIDORES CD-CD 7

CAPÍTULO II: CONVERTIDORES CD-CD 9

2.1 INTRODUCCIÓN 9

2.1.1 Convertidores Lineales y Convertidores Conmutados 10

2.2 MODOS DE CONDUCCIÓN EN LOS CONVERTIDORES CD-CD 10

2.3 CONVERTIDOR CD-CD ELEVADOR 11

2.4

ECUACIONES DE DISEÑO DEL CONVERTIDOR CD-CD ELEVADOR (MODO DE

CONDUCCIÓN CONTINUA) 13

2.5 CONVERTIDOR CD-CD REDUCTOR 16

2.6 CLASIFICACIÓN DE CONVERTIDORES CD-CD 19

2.7 CONVERTIDOR CD-CD REDUCTOR CON CARGA R, L, FEM 22

2.8 ANÁLISIS DEL CONVERTIDOR CD-CD REDUCTOR CON CARGA R, L, FEM 22

2.8.1 Tiempo de Encendido 23

2.8.2 Tiempo de Apagado 24

2.9 PROCESAMIENTO DE POTENCIA EN UN CONVERTIDOR CD-CD 27

CAPITULO III:

DESCRIPCIÓN DEL CONVERTIDOR CD-CD CON ALIMENTACIÓN Y

CARGA 29

3.1 SUPERCAPACITORES 29

3.1.1 Ventajas y Desventajas en los Supercapacitores 34

3.2 INDUCTOR 35

xiii

3.3 DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE INDUCTORES 40

3.3.1 Inductor Fabricado con Láminas de Cobre 40

3.3.2 Diseño de Inductores 41

3.4 CONTROL PARA UN CONVERTIDOR CD-CD ELEVADOR 43

3.5 INTERRUPTORES DE POTENCIA 45

3.5.1 Interruptor Ideal e Interruptor Real 45

3.6 MOSFET DE POTENCIA 46

3.6.1 Estructura 47

3.6.2 Capacitancias Internas 48

3.6.3 Resistencia de estado encendido 48

3.6.4 Características de Voltaje y Corriente 49

3.7 DIODO DE POTENCIA 50

3.7.1 Características del Diodo 51

3.7.2 Recuperación Inversa 52

3.8 MOTORES DE CORRIENTE DIRECTA 52

CAPÍTULO IV: DISEÑO DEL SISTEMA 54

4.1

SISTEMA DE ACCIONAMIENTO DE UN MOTOR DE CD SERIE A PARTIR DE UN

SUPERCAPACITOR 54

4.2 CARGA Y FUENTE DE ALIMENTACIÓN 56

4.3 DISEÑO DEL CONVERTIDOR CD-CD ELEVADOR 57

4.3.1 Elección del Mosfet del Convertidor CD-CD Elevador 60

4.3.2 Elección del Diodo para Convertidor CD-CD Elevador 60

4.4 DISEÑO DEL INDUCTOR DEL CONVERTIDOR CD-CD ELEVADOR 61

4.4.1 Inductor con Láminas de Cobre con Software 61

4.4.2 Inductor con Alambre de Cobre con Software 61

4.4.3 Inductor con Alambre de Cobre con Hoja de Datos 61

4.5 DISEÑO DEL CONVERTIDOR CD-CD REDUCTOR 63

4.5.1 Elección del Mosfet del Convertidor CD-CD Reductor 64

4.5.2 Elección del Diodo para Convertidor CD-CD Reductor 64

4.6

DISEÑO DE LA ETAPA DE CONTROL PARA EL CONVERTIDOR CD-CD ELEVADOR

(ETAPA DE CONTROL 1) 64

4.6.1 Lectura y Acondicionamiento de Señal 66

4.6.2 Controlador 72

4.6.3 Disparo de Compuerta 77

4.7

DISEÑO DE LA ETAPA DE CONTROL PARA EL CONVERTIDOR CD-CD REDUCTOR

(ETAPA DE CONTROL 2) 79

4.7.1 Generación de PWM 81

4.7.2 Disparo de Compuerta 84

4.8 PROTECCIÓN 1 84

CAPITULO V: RESULTADOS EXPERIMENTALES 85

5.1 RESULTADOS EXPERIMENTALES DEL CONVERTIDOR CD-CD ELEVADOR 85

5.2 RESULTADOS EXPERIMENTALES DEL CONVERTIDOR CD-CD 88

5.3 EFICIENCIA DEL CONVERTIDOR CD-CD 97

xiv

CAPITULO 6: CONCLUSIONES GENERALES 101

6.1 CONCLUSIONES 101

6.2 TRABAJOS FUTUROS 102

REFERENCIAS 103

ANEXO 1 105

A1

DESARROLLO MATEMÁTICO PARA LAS ECUACIONES DE DISEÑO DEL

CONVERTIDOR CD-CD ELEVADOR CON CARGA RESISTIVA 105

ANEXO 2

A2


CONVERTIDOR CD-CD REDUCTOR CON CARGA RESISTIVA 110

xvi

LISTA DE FIGURAS

No. de

Ecuación Descripción Página

1.1 Diagramas de Bloques del HEV Tipo Serie 4

1.2 Diagrama de Bloques del HEV Tipo Paralelo 4

2.1 Modos de Operación de un Convertidor CD-CD 10

2.2 Topología de Convertidor CD-CD Elevador 11

2.3 Convertidor Elevador cuando el Interruptor se Encuentra Cerrado 12

2.4 Convertidor Elevador con su Interruptor Abierto 12

2.5 Representación de Tiempos de Encendido y Apagado en un Periodo T 13

2.6 Topología de Convertidor CD-CD Reductor con Carga Resistiva 16

2.7 Convertidor Reductor cuando es igual a T 16

2.8 Convertidor Reductor cuanto es igual a 17

2.9 Pulso de Disparo de compuerta del Mosfet 17

2.10 Representación de tensión y corriente en la carga del convertidor clase A 20

2.11 Representación de tensión y corriente en la carga del convertidor clase B 20

2.12 Representación de tensión y corriente en la carga del convertidor clase C 21

2.13 Representación de tensión y corriente en la carga del convertidor clase D 21

2.14 Topología del convertidor CD-CD reductor con carga 22

2.15 Topología del convertidor CD-CD reductor con carga con 23

2.16 Topología del convertidor CD-CD reductor con carga con 24

3.1 Sistemas de Almacenamiento de Energía 29

3.2 Esquema de un Capacitor Convencional 30

3.3 Esquema de un Capacitor de Doble Capa 33

3.4 Densidades de Potencia y Energía de un Supercapacitor 34

3.5 Representación de in Inductor 36

3.6 Circuito Equivalente de un Inductor 36

3.7 Áreas que conforman al Inductor 37

3.8 Inductor de Láminas de Cobre 41

3.9 Software Empleado en el Diseño de Inductores 42

3.10 Diagrama a Bloques para el Control en Modo Voltaje de un Convertidor CD-CD 44

3.11 Representación Gráfica de un Mosfet de Enriquecimiento Canal n 46

3.12 Estructura Interna de un Mosfet de Enriquecimiento Canal n 47

3.13 Capacitancias Parásitas del Mosfet 48

3.14 Curvas de Corriente y Voltaje en un Mosfet de Enriquecimiento Canal n 49

3.15 Curva de Transferencia en un Mosfet de Enriquecimiento Canal n 50

3.16 Representación Gráfica de un Diodo 50

3.17 Curva de Transferencia de un Diodo 51

3.18 Respuesta de Par vs Velocidad en un motor de CD en serie 53

4.1 Diagrama a Bloques del Sistema 54

4.2 Diagrama Completo del Sistema 55

4.3 Motor de CD en Serie 56

4.4 Supercapacitor BMOD0165P48B 56

4.5 Inductores Empleados en la Implementación del Convertidor CD-CD Elevador 62

4.6 Diagrama de la Etapa de Control 1 66

4.7 Sensor LV25-P 67

4.8 Arreglo Resistivo para el Sensor 68

4.9 Amplificador Operacional en Configuración Inversora 69

4.10 Diagrama Interno del Controlador UC3524 72

4.11 Malla con Dos Resistores para Aplicar el Divisor de Tensión 73

4.12 Arreglo Resistivo para R=17.35 Ω 75

xvii

4.13 Circuito Integrado SN74LS240 76

4.14 Optoacoplador de Alta Velocidad HP2531 77

4.15 Circuito Controlador de Disparo de Compuerta 77

4.16 Diseño para el Disparo Correcto de Compuerta 79

4.17 Diagrama de la Etapa de Control 2 80

4.18 Circuito Integrado LM555 en Configuración Astable 81

4.19 Circuito Integrado LM555 en Configuración Monoestable 82

5.1 Tensión de Salida del Convertidor CD-CD Elevador con Tensión de Entrada

Igual a 48 Volts y Tensión en la carga de 45 V 85





5.4 Tensión de Entrada = 48 V, Intensidad de Entrada = 0.75 A 89









5.13 Curva de Potencia vs Eficiencia con Datos de la Tabla 5.5 98



xix

LISTA DE TABLAS

No. de

Tabla Descripción Página

5.1 Niveles de Tensión a la Salida del Convertidor CD-CD Elevador 88

5.2 Tensiones e Intensidades de Entrada y Salida con Tensión de salida igual a 10

Volts 92


Volts 94


Volts 97

5.5 Potencias de Entrada y Salida con Tensión de Salida igual a 10 Volts 97



xxi

LISTA DE ECUACIONES

No. de Ecuación Página

2.1 13

2.2 13

2.3 13

2.4 13

2.5 13

2.6 13

2.7 13

2.8 13

2.9 13

2.10 14

2.11 14

2.12 14

2.13 14

2.14 14

2.15 14

2.16 14

2.17 14

2.18 14

2.19 15

2.20 15

2.21 15

2.22 15

2.23 15

2.24 15

2.25 15

2.26 15

2.27 15

2.28 17

2.29 17

2.30 17

2.31 18

2.32 18

2.33 18

2.34 18

2.35 18

2.36 18

2.37 18

2.38 18

2.39 19

2.40 19

2.41 19

2.42 19

2.43 23

2.44 23

2.45 23

2.46 23

2.47 24

2.48 24

2.49 24

xxii

2.50 24

2.51 25

2.52 25

2.53 25

2,54 25

2.55 25

2.56 25

2.57 25

2.58 26

2.59 26

2.60 26

2.61 26

2.62 26

2.63 26

2.64 26

2.65 26

2.66 27

2.67 27

2.68 27

2.69 27

3.1 31

3.2 31

3.3 31

3.4 31

3.5 31

3.6 32

3.7 35

3.8 36

3.9 36

3.10 36

3.11 37

3.12 37

3.12 37

3.14 37

3.15 38

3.16 38

3.17 38

3.18 39

3.19 39

3.20 39

3.21 39

3.22 39

3-23 40

3.24 40

xxiv

NOMENCLATURA

CD Corriente Directa

CA Corriente Alterna

Variación de Corriente en el Inductor

Permeabilidad del Núcleo de un Inductor

MicroHenries

A Amper

Área Transversal del Núcleo de un Inductor

Índice de Inductancia

Área Descubierta del Alambre en un Inductor

Capacitor, Valor del Capacitor

Capacitancia Mínima

Ciclo útil

E Energía almacenada en un Capacitor

Permitividad del Material que se encuentra entre los Electrodos de un Capacitor

Constante Dieléctrica del Aire

Constante Dieléctrica del Material Aislante entre dos Electrodos de un Capacitor

Resistencia Equivalente Serie de un Capacitor

Frecuencia

F Farads

Fuerza Electro-Motriz

H Henries

Hz Hertz

Corriente

Corriente de Salida

Corriente media en el Inductor

Corriente Máxima en el Inductor

Corriente Mínima en el Inductor

J Joules

kF Kilofarads

Kg Kilogramo

Kg Kilogramo

Constante Geométrica

KHz KiloHertz

Factor de Utilización de Ventana

Inductor

Longitud de Alambre Conductor

Longitud del Núcleo Magnético

Longitud del Entrehierro en un Inductor

Inductancia Máxima

xxv

Inductancia Mínima

M metro

Milifarads

MiliHenries

Medida de Longitud por Vuelta del Devanado

Número de Vueltas de un Conductor en un Núcleo para un Inductor

Eficiencia

Potencia

PWM Modulación por Ancho de Pulso

Q Interruptor

Carga del Capacitor

Resistor, Valor del Resistor

Reluctancia del Núcleo de un Inductor

Resistencia de Retroalimentación

Reluctancia del Entrehierro de un Inductor

Resistencia de Entrada

Periodo

Tiempo de no conducción

Tiempo de no conducción

Tiempo de conducción

Tiempo de conducción

V Volt

Voltaje del inductor

Voltaje de Salida

Voltaje de Entrada

W Watt

Área de la Ventana del Núcleo de un Inductor

Whr Watt-hora

Variación de Corriente

Variación de Voltaje

Resistividad de Material Conductor

Ohm

1

CAPÍTULO I

INTRODUCCIÓN

En México, los medios de transporte más utilizados son los vehículos automotores con motor

de combustión interna, alimentados por derivados de combustible fósil como el diesel y la

gasolina, principales contaminantes causantes del efecto invernadero y del calentamiento

global. Cabe mencionar que otros medios de transporte que son utilizados en mucho menor

escala son medios de transporte público que funcionan con energía eléctrica, si bien estos

últimos no liberan contaminantes a la atmósfera, son grandes consumidores de corriente

eléctrica debido al tamaño de los motores que utilizan y a la fuerza que deben generar para

poder lograr accionar el sistema de tracción para que estos logren desplazarse.

1.1 JUSTIFICACIÓN

El Instituto de Ciencia y Tecnología del Distrito Federal designó a la Sección de Estudios de

Posgrado e Investigación de la Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica Unidad

Zacatenco mediante el proyecto “Desarrollo de un Prototipo de Vehículo Eléctrico

SUPERCAP para la Ciudad de México” con No. ICYTDF: PICC010-95, bajo la dirección del

Dr. Jaime José Rodríguez Rivas, perteneciente a la Sección de Posgrado en Ingeniería

Eléctrica de la SEPI- ESIME ZACATENCO en el área de Electrónica de Potencia ; este es un

vehículo eléctrico alimentado por supercapacitores, los cuales brindarán la energía necesaria

para accionar un motor de CD serie el cual activará el sistema de tracción para mover al

vehículo. Es por esto que es necesario desarrollar un sistema electrónico que permita alimentar

al motor del sistema de tracción de manera adecuada permitiendo controlar dicho

accionamiento.

1.2 OBJETIVOS

1.2.1 Objetivo General

Desarrollar un prototipo de un convertidor CD-CD que alimentado por un supercapacitor que

puede ir descargándose continuamente suministre el voltaje requerido para el accionamiento

de un motor de CD en serie.


2

1.2.2 Objetivos Particulares

Diseñar y construir un convertidor CD-CD elevador que mantenga a su salida un nivel

de tensión eléctrica constante pese a variaciones de tensión en su entrada.

Diseñar y construir un convertidor CD-CD reductor que funcione para controlar el

accionamiento de un motor de CD de tracción.

1.3 MARCO TEÓRICO SOBRE VEHICULOS ELÉCTRICOS.

Los primeros vehículos eléctricos surgieron en la primera mitad del siglo XIX, a pesar de ello,

en sus inicios existieron limitantes que generaron que la evolución de estos se diera de manera

lenta, algunos de estos problemas surgieron debido a la corta duración de la carga en las

baterías empleadas, los largos periodos de tiempo empleados para la recarga de las baterías

[1], la falta de componentes y dispositivos electrónicos necesarios para un mejor

funcionamiento, entre otros. Dado que recientemente ha habido un gran avance en tecnologías

referentes a las ciencias eléctrica y electrónica, los vehículos eléctricos se han convertido en

un área muy interesante de investigación y desarrollo. Con base en investigaciones se ha

concluido que los vehículos eléctricos son el medio de transporte disponible que genera menor

contaminación hoy en día, estos también pueden economizar gastos en el consumo de

combustible ya que pueden operar usando un mínimo de combustible o únicamente usando

energía eléctrica [2].

1.3.1 Tipos de Vehículos Eléctricos

Actualmente se construyen distintos tipos de automóviles eléctricos, esto es debido a distintas

aplicaciones provenientes en investigaciones de nuevas tecnologías en áreas como:

electrónica de potencia, control, mecánica y eléctrica; también depende de los costos que

genere la aplicación de las tecnologías anteriormente mencionadas.

Existen cuatro tipos de vehículos eléctricos, esto depende del tamaño y la aplicación a la que

estará sometido dicho vehículo:

Capítulo 1: INTRODUCCIÓN Y ANTECEDENTES

3

Vehículo Eléctrico Puro; este se ha convertido en una rama importante entre los

automóviles eléctricos ya que desde el punto de vista de la industria automotriz global,

con el procesamiento de la tecnología de las baterías, este tipo de vehículo se ha

estado desarrollado rápidamente y se ha movido en dirección a la industrialización de

manera gradual; baterías de potencia, unidades eléctricas y controladores eléctricos

son tres partes clave de un vehículo eléctrico puro y componen el tren de potencia del

vehículo eléctrico[3]. Este tipo de automóvil tiene la posibilidad de recargar sus

baterías con la fuerza electromotriz generada al frenar. La ventaja de este tipo de

vehículo es que no emite ninguna partícula contaminante a la atmosfera, pero la

desventaja es que la durabilidad de la carga de las baterías con respecto a la distancia

recorrida es poca y de igual manera, el tiempo de recarga es bastante. Pueden tener

periodos de carga rápido, pero esto reduce considerablemente el tiempo de vida de las

baterías.

Vehículos Híbridos o HEV; estos son autos eléctricos que utilizan un pequeño motor

de combustión interna y un motor eléctrico. Dependiendo de los modos de trabajo es

posible trabajar con el motor de combustión interna y con el motor eléctrico al mismo

tiempo o en tiempos distintos. Un sistema de control en el motor hibrido regula el

desempeño del motor dependiendo de las condiciones de manejo. Tal motor permite la

reducción de niveles de contaminación y consumo de combustible.

La clasificación de vehículos híbridos se da por las distintas características implícitas

en la topología implementada en un vehículo. Hay dos principales clasificaciones para

HEV, la primera clasificación se basa en el nivel de motores usados en el vehículo, se

dividen en tres tipos: híbridos leves (mild hybrids), híbridos pasivos (passive hybrids)

y completamente hibrido (full hybrids). La segunda clasificación se basa en la forma

de conectar los motores y la ración de potencias, la cual va desde los dos motores

hasta la transmisión. Por esta clasificación los HEV son divididos en tres tipos: serie,

paralelo, combinado.

Cabe mencionar que en este tipo de vehículo eléctrico, las baterías de alimentación

pueden ser recargadas al igual que en el vehículo eléctrico puro, debido a que la fuerza

electromotriz generada al frenar a dicho automóvil se interpreta como un nivel de

voltaje de corriente directa que en estos casos se utiliza para cargar las baterías.


4

Figura 1.1 Diagrama de Bloques del HEV Tipo Serie.

Figura 1.2 Diagrama de Bloques del HEV Tipo Paralelo

El motor eléctrico en tipo serie opera para dar energía para mover un automóvil, en

tipo paralelo el motor de combustión interna y el motor eléctrico operan

independientemente uno del otro o pueden operar juntos o por turno. En tipo

combinado, este opera como un tipo paralelo pero logrando tener un alto nivel de

efectividad.

Por otra parte en el automóvil tipo serie, la batería acumula energía la cual proviene del

generador, obtiene energía de recuperación durante el frenado, en el tipo paralelo las

baterías se recargan cuando el motor eléctrico comienza a operar como generador, y

luego esta energía va hacia el motor eléctrico, el cual opera como motor; en tipo

combinado hay un generador adicional el cual recarga a la batería [4].

Vehículo Eléctrico con Enchufe o Plug-In Electric Vehicle; este tipo de vehículo tiene

características similares al HEV con la diferencia que sus baterías pueden ser

recargadas por la red eléctrica. También a causa de esto, el motor de combustión

interna es de dimensiones más pequeñas que de los que se encuentran en los HEV y el

motor eléctrico es de mayor tamaño, esto en conjunto provoca una menor utilización

de combustible, lo que genera menores gastos y menores emisiones contaminantes al


5

medio ambiente. Con base en esto varias compañías automotrices prometen expandir

su mercado en el desarrollo y comercialización de este tipo de automóviles [5].

Vehículo Eléctrico de Celdas de Combustible o FCEV (Fuel Cell Electric Vehicle); La

energía proveniente de la celda de combustible es la energía principal con la que

trabaja dicho automóvil, este tipo de energía consiste en producir electricidad a partir

de hidrogeno mezclado con oxigeno y un electrolito. Además al ocurrir esta reacción

también se genera agua; dado que cada celda de combustible genera a lo más 1.16

Volts por lo que es necesario hacer arreglos apilados de dichas celdas para obtener la

potencia necesaria para mover al automóvil [6]. Normalmente al estar trabajando con

celdas de combustible el voltaje que estas generan es de 13.8 Volts.

1.4 TIPOS DE FUENTES DE ALIMENTACIÓN

Estos vehículos convencionalmente son alimentados por fuentes eléctricas que suministran un

voltaje de CD de alimentación, normalmente estas fuentes de alimentación son baterías

convencionales como las que hoy en día porta cualquier vehículo, aunque con la aparición de

nuevas tecnologías actualmente se tiene el uso de supercapacitores o ultracapacitores que son

capacitores con capacitancias muy grandes en comparación con los capacitores

convencionales que se encuentran en el orden de milifarads (mF), los supercapacitores se

encuentran en el orden de decenas y cientos de Farads que haciendo arreglos convenientes,

estos pueden llegar a formar un capacitor del orden de kilofarads (kF), lo que se traduce a

tener un acumulador con una gran capacidad de carga de energía y con un tiempo de descarga

muy grande [7].

La energía eléctrica puede almacenarse en dos formas distintas, de manera indirecta y de

manera directa; es en las baterías en las que la energía eléctrica se puede almacenar de manera

indirecta es decir que es energía química disponible en donde se tienen dos electrodos capaces

de intercambiar cargas eléctricas positivas y negativas a través de una interface, que se suele

llamar electrolito. Si se conectan los dos electrodos con un cable, se produce una corriente

eléctrica. Los electrodos son diversos compuestos químicos (por ejemplo, níquel y hierro).

Producen energía eléctrica mientras se descargan o se cargan. Cabe mencionar que las baterías


6

se pueden descargar en su totalidad, pero esto reduce significativamente su tiempo de vida. El

almacenamiento de manera directa es aquel que se da en forma electrostática como cargas

eléctricas positivas y negativas sobre placas de un capacitor.

1.4.1 Baterías

Las baterías tienen ciertos inconvenientes como fuentes de alimentación ya que estas se

recargan lentamente y tienen un número limitado de ciclos de carga, además no son tolerantes

al frio, su estructura física requiere abarcar grandes espacios además de que el peso que se

tiene es de magnitud considerable, las baterías tienen una muy baja densidad de potencia pese

a que tienen una gran densidad de energía, esto se traduce a que la batería únicamente es

idónea para usarse como fuente de alimentación en sistemas que demandan baja potencia de

manera constante ya que no puede producir demandas de alta potencia en pequeños lapsos de

tiempo de manera interrumpida.

1.4.2 Supercapacitores

Por otra parte existe otra fuente de acumulación de energía, estos dispositivos son conocidos

como supercapacitores o ultracapacitores, estos están formados por arreglos de capacitores en

serie y paralelo que en conjunto dan como resultado un valor de capacitancia del orden de

decimas o centenas de farads. Estos, como su nombre lo indica se asemejan a un capacitor con

un valor de capacitancia muy grande; estos se rigen por las ecuaciones fundamentales de un

capacitor convencional; este tipo de dispositivos almacenan y liberan grandes cantidades de

energía en lapsos de tiempo muy cortos si así se les demanda, efecto que las baterías no

pueden lograr; esto significa que un supercapacitor puede liberar toda su energía en pocas

milésimas de segundo. Cabe mencionar que cada unidad interna en un supercapacitor

almacena hasta 3 V, lo que demuestra que internamente el supercapacitor cuenta con arreglos

capacitivos para incrementar la capacidad de almacenamiento de voltaje [7].


7

1.5 CONVERTIDORES CD-CD

La tecnología de Fuentes de alimentación, es una tecnología que hoy en día permite operar

dispositivos y sistemas electrónicos, es ampliamente usada en todo tipo de sistemas como las

telecomunicaciones, aeroespacial y vehículos eléctricos, entre otras. Las fuentes de

alimentación a un equipo pueden ser reguladas o no reguladas. En las fuentes reguladas el

voltaje de salida es mantenido dentro de un rango estrecho aproximadamente del 2% del valor

nominal establecido, a pesar del voltaje de línea o de entrada, de las variaciones de

temperatura o al cambio de carga en el sistema.

Dentro de la tecnología de fuentes de alimentación se tienen dos derivaciones, la primera es

conocida como reguladores lineales y la segunda es llamada reguladores conmutados; dentro

de los reguladores conmutados se encuentran los reguladores por modulación de ancho de

pulso o también llamados convertidores CD-CD por modulación de ancho de pulsos. Aquí se

utilizan transistores que operan como interruptores a frecuencias del orden de KiloHertz, estos

disipan poca potencia en comparación con transistores que se encuentran trabajando como

fuentes de corriente, de ahí que su utilización sea en modo conmutado. En este modo de

operación, la caída de voltaje entre las terminales de los transistores es mínima cuando hay un

flujo de alta corriente a través de ellos y al momento en que hay una diferencia de voltaje alta

entre sus terminales la corriente que fluye a través de ellos es muy poca, tiende a un valor de

cero; esto provoca que la potencia disipada por calor en el transistor sea mínima, de aquí que

la eficiencia de este tipo de convertidores sea alta y se encuentre por encima del 80%.[8]

El nombre de estos convertidores se debe a que a la entrada de estos es suministrado un

determinado nivel de voltaje de corriente directa y a su salida se obtiene un nivel de voltaje

mayor, igual o menor que al encontrado a la entrada del convertidor. Dependiendo del valor de

voltaje a la salida del convertidor en comparación con el voltaje de entrada, existen dos

topologías básicas para un convertidor CD-CD estas son:

Convertidor Elevador o boost; Esta topología de convertidor CD-CD tiene a su salida

un valor de voltaje mayor o igual a lo que se encuentra en su entrada, está conformado

por cinco dispositivos, estos son: inductor, transistor, diodo y capacitor, además de que

a su entrada debe de tener una fuente de voltaje de CD y a su salida una carga.


8

Convertidor reductor o buck; Este tipo de convertidor genera a su salida un nivel de

voltaje menor o igual al voltaje suministrado en su entrada, consta al igual que el

convertidor elevador de cinco dispositivos, más su voltaje de entrada y una carga

conectada a la salida.

9

CAPÍTULO II

CONVERTIDORES CD-CD

2.1 INTRODUCCIÓN

Dentro de la electrónica de potencia existen convertidores de voltaje que a su entrada reciben

señal de corriente directa y a su salida se encuentra un voltaje de corriente directa, este puede

ser de menor, igual o mayor valor que el de entrada. Su analogía para este tipo de

convertidores son los transformadores de corriente alterna ya que igual a su salida pueden

tener voltajes superiores, inferiores o iguales que el que proporciona la fuente. Este tipo de

convertidores tienen diversas aplicaciones en la industria y en productos electrónicos que

necesitan alimentación de corriente directa, algunas aplicaciones en las que están inmiscuidos

estos convertidores son en automóviles eléctricos, fuentes conmutadas, trolebús, trenes

subterráneos, elevadores, generadores eólicos, entre otros.

Estos convertidores pueden transformar o convertir el voltaje proveniente de cualquier fuente

de corriente directa como lo son acumuladores, paneles fotovoltaicos, bancos de baterías,

supercapacitores, entre otras más.

Estos convertidores tienen gran relevancia hoy en día, ya que en resumen funcionan como

adaptadores o puentes entre distintas cargas, ya que ejemplificando, se puede tener una fuente

de alimentación de un nivel de tensión eléctrica medio y se requiere alimentar dos cargas, una

que demanda el doble del que brinda la fuente de alimentación y la segunda carga requiere

para su funcionamiento un nivel de voltaje del valor de la mitad de la fuente; es aquí en donde

para resolver el problema se colocarían dos convertidores CD-CD, para la carga que demanda

mayor nivel de tensión eléctrica se colocaría a su entrada un convertidor CD-CD que eleve el

voltaje de la fuente, mientras que en la carga restante se pondrá un convertidor cd-cd que

reduzca el voltaje de la fuente de alimentación.


10

2.1.1 Convertidores Lineales y Convertidores Conmutados.

Estos convertidores pueden ser de dos tipos principalmente conocidos como convertidores

lineales y convertidores conmutados; los convertidores lineales son aquellos que se basan en el

empleo de un regulador resistivo disipando energía.

Los convertidores conmutados emplean semiconductores trabajando como interruptores y es

así como regulan la salida de voltaje del convertidor, trabajando conjuntamente con otros

elementos pasivos y dispositivos electrónicos.

2.2 MODOS DE CONDUCCIÓN EN LOS CONVERTIDORES CD-CD

Existen dos modos de conduccion para los convertidores cd-cd, esto depende de la manera en

que la corriente sea conducida a traves del inductor, si esta alcanza un valor igual a cero

durante un intervalo de tiempo se dice que esta en modo de conducción discontinuo a causa de

la discontinuidad de corriente que fluye a través del inductor. Cuando esta corriente nunca

llega a un valor cero durante todo el tiempo que el convertidor esta en operación, se dice que

este se encuentra trabajando en modo continuo [9]. Para la mayoria de aplicaciones el trabajo

de convertidores se hace en este ultimo modo de operación. Los modos de operación de

corriente en un convertidor se ilustran en la figura 2.1.

Figura 2.1 Modos de Operación de un Convertidor CD-CD.

Capítulo 2: CONVERTIDOR CD-CD

11

2.3 CONVERTIDOR CD-CD ELEVADOR

Este convertidor de potencia conocido también como convertidor boost o convertidor step up,

obtiene a su salida una tensión continua mayor que a su entrada. Es un tipo de fuente de

alimentación conmutada que contiene a lo menos dos semiconductores y al menos un

elemento para almacenar energía.

Un conector de suministro de energía habitual normalmente no se puede conectar directamente

a dispositivos como ordenadores, relojes o teléfonos. La conexión de suministro genera una

tensión alterna (CA) y los dispositivos requieren tensiones continuas (CD). La conversión de

potencia permite que dispositivos de continua utilicen energía de fuentes de alterna, este es un

proceso llamado conversión CA a CD y en él se usan convertidores CA a CD

como rectificadores.

La energía también puede provenir de fuentes de CD como baterías, paneles solares,

rectificadores y supercapacitores, pero ser de niveles inadecuados. El proceso de cambiar una

tensión de continua a otra diferente es llamado conversión CD a CD. Un convertidor Boost es

uno de los tipos de convertidores CD a CD. Presenta una tensión de salida mayor que la

tensión de la fuente, pero la corriente de salida es menor que la de entrada. En la figura 2.2 se

muestra la topología de un convertidor CD-CD elevador.

Figura 2.2 Topología de Convertidor CD-CD Elevador.

El principio de funcionamiento del convertidor elevador consiste en dos estados distintos

dependiendo del estado del interruptor Q, que en convertidores CD-CD suele usarse

interruptores electrónicos como es el caso del mosfet, ya que estos deben de ser dispositivos

que puedan estar conmutando a frecuencias altas y que la caída de voltaje entre las terminales

http://es.wikipedia.org/wiki/Tensi%C3%B3n_el%C3%A9ctrica

http://es.wikipedia.org/wiki/Fuente_de_alimentaci%C3%B3n

http://es.wikipedia.org/wiki/Fuente_de_alimentaci%C3%B3n

http://es.wikipedia.org/wiki/Semiconductor

http://es.wikipedia.org/wiki/Energ%C3%ADa

http://es.wikipedia.org/wiki/Ordenador

http://es.wikipedia.org/wiki/Reloj

http://es.wikipedia.org/wiki/Tel%C3%A9fono

http://es.wikipedia.org/wiki/Rectificador

http://es.wikipedia.org/wiki/Acumulador_el%C3%A9ctrico

http://es.wikipedia.org/wiki/Panel_solar


12

que en determinado momento conducirán corriente sea mínima incluso despreciable; estos

interruptores son controlados por pulsos cuadrados que tienen un determinado ancho de pulso

y son aplicados a su terminal de control conocida como compuerta, este ciclo útil de la señal

dará la orden para que el interruptor se mantenga cerrado, al momento de no existir tal pulso,

el interruptor se abrirá, el decir, el mosfet ya no conducirá. Básicamente el funcionamiento del

convertidor se resume en los siguientes pasos:

Cuando el interruptor Q está cerrado en un tiempo la bobina almacena

energía de la fuente, a la vez la carga es alimentada por el condensador .

Cuando el interruptor Q está abierto en un tiempo el único camino para la

corriente es a través del diodo y circula por el condensador C (hasta que se carga

completamente) y a su vez en la carga.

Esto se demuestra en las siguientes figuras 2.3, 2.4 y 2.5:

Figura 2.3 Convertidor Elevador cuando el Interruptor se Encuentra Cerrado.

Figura 2.4 Convertidor Elevador con su Interruptor Abierto.


13

Figura 2.5 Representación de Tiempos de Encendido y Apagado en un Periodo T.

2.4 ECUACIONES DE DISEÑO DEL CONVERTIDOR ELEVADOR (MODO DE

CONDUCCIÓN CONTINUA)

Cuando el interruptor esta activado se tiene:

(2.1)

(2.2)

Ahora bien, en el momento que el interruptor se encuentra apagado:

(2.3)

(2.4)

(2.5)

(2.6)

(2.7)

Dejando en términos del tiempo de encendido sobre el periodo a la ecuación anterior queda:

(2.8)

El ciclo útil D está dado por la siguiente relación:

(2.9)

Sustituyendo la ecuación 2.9 en la ecuación 2.8 y continuando con el desarrollo algebraico:


14

(2.10)

Ahora bien, se tiene que la corriente en el capacitor es:

(2.11)

Cuando en interruptor está encendido se tiene que la corriente en el capacitor es la misma que

la que se encuentra circulando en la resistencia de carga pero en sentido contrario, de ahí que:

(2.12)

En el momento que el interruptor se encuentra apagado, la corriente en el inductor es igual a la

corriente media en el inductor menos la corriente existente en la resistencia de carga.

(2.13)

Por lo tanto:

(2.14)

(2.15)

(2.16)

Por tanto la expresión para obtener la corriente media en el inductor es:

(2.17)

O también:

(2.18)

Se tiene que el voltaje en un inductor está dado por la derivada de la corriente que circula por

dicho elemento con respecto al tiempo.


15

(2.19)

Cuando el interruptor está cerrado:

(2.20)

(2.21)

El valor de inductancia mínima que necesita un convertidor CD-CD elevador para trabajar en

modo de conducción continua se obtiene mediante la siguiente expresión:

(2.22)

El desarrollo completo para la obtención de esta ecuación se muestra en el Anexo 1.

Para calcular el valor del rizo del voltaje a la salida del convertidor CD-CD, se parte de la

ecuación diferencial para encontrar la corriente en el capacitor.

(2.23)

Primeramente, se considera que el interruptor esta en modo de conducción.

(2.24)

(2.25)

Cuando el interruptor está apagado, se tiene la siguiente expresión:

(2.26)

Entonces el valor mínimo del capacitor de salida estará dado en función del voltaje de salida y

del rizo de voltaje que se desee que este mantenga.

(2.27)


16

El desarrollo matemático para esta expresión se ilustra en el Anexo 1.

Este valor de capacitancia puede ser considerado como el valor mínimo de capacitancia para

obtener un determinado valor de rizo.

2.5 CONVERTIDOR CD-CD REDUCTOR

Como su nombre lo indica este convertidor reductor se encarga de producir un voltaje de

corriente directa en su salida menor al que se encuentra a su entrada. Esta topología tiene dos

aplicaciones importantes, la primera es en fuentes conmutadas o fuentes de CD reguladas y la

segunda es el control de velocidad en los motores de CD. A continuación en la figura 2.6 se

muestra la topología del convertidor CD-CD reductor para carga resistiva.

Figura 2.6 Topología de Convertidor CD-CD Reductor con Carga Resistiva.

Presenta dos modos de operación, el modo 1 empieza cuando se cierra el transistor Q en =0,

entonces la corriente de entrada aumenta, pasa por el inductor , el capacitor , y la resistencia

, la corriente del inductor aumenta hasta que el transistor Q se abre en un tiempo

siendo el ciclo de trabajo y el periodo. La figura 2.7 ilustra el modo 1 de operación.

Figura 2.7 Convertidor Reductor Cuando es Igual a .


17

El modo 2 empieza cuando el interruptor Q se abre en , el diodo de marcha libre

conduce la energía almacenada en el inductor, y la corriente del inductor pasa por la carga ,

el capacitor , el inductor . La corriente del inductor baja hasta que el transistor Q1 se

enciende de nuevo, en el siguiente ciclo. Este comportamiento se ilustra en la figura 2.8.

Figura 2.8 Convertidor Reductor Cuando es Igual a

Figura 2.9 Pulso de Disparo de Compuerta

Cuando el interruptor esta encendido se tiene la siguiente consideración:

(2.28)

(2.29)

Cuando el interruptor se encuentra abierto:

(2.30)

Integrando los voltajes en cada estado de tiempo para encontrar la relación de ciclo útil con

respecto a voltajes de entrada y salida se tiene:


18

(2.31)

(2.32)

Aquí se obtiene el ciclo útil en base a la relación de voltaje de salida con voltaje de entrada.

(2.33)

Para encontrar la corriente media que circula a través del inductor se tiene que:

(2.34)

(2.35)

(2.36)

La corriente mínima está dada por la corriente promedio en el inductor menos el valor del

pico de la variación de corriente Δ .

(2.37)

Entonces, el valor de inductancia requerida para que se cumpla la condición anteriormente

mencionada es:

(2.38)

El proceso matemático para obtener la ecuación de la inductancia mínima se encuentra en el

Anexo 2.


19

La forma de onda de voltaje en el convertidor nunca aparecerá de manera constante a la salida

del convertidor, sino que siempre aparecerá una pequeña variación de voltaje, este cambio de

nivel de tensión se presentará periódicamente; es decir, se verá un rizo con una determinada

amplitud. El cálculo de esta variación se da a partir de la relación existente entre la corriente y

el voltaje en el capacitor.

Para mostrar el comportamiento de la corriente y el voltaje del capacitor se tiene la

siguiente grafica.

Por definición se conoce que:

(2.39)

La carga variará de igual forma que cambia el voltaje desde el pico mínimo hasta el pico

máximo, por lo que queda:

)

(2.40)

Sustituyendo el valor de para este convertidor se tiene:

(2.41)

La capacitancia mínima requerida para el convertidor CD-CD reductor es:

(2.42)

El desarrollo matemático en donde surge la ecuación anterior se muestra en el Anexo 2.

2.6 CLASIFICACIÓN DE CONVERTIDORES CD-CD

Dependiendo de la manera en que circule la corriente y del valor del voltaje que se aplica en la

carga los convertidores se clasifican en 5 clases.


20

Convertidor Clase A; En esta clase de convertidor la corriente que circula por la carga

es positiva, es decir, que la corriente fluye hacia la carga. De la misma forma, la

diferencia de potencial es positiva. Esto significa que el convertidor trabaja en un solo

cuadrante y por ser positiva tanto la corriente como el voltaje en la carga, se dice que

este convertidor trabaja en el primer cuadrante [10].

Figura 2.10 Representación de Tensión y Corriente en la Carga del Convertidor Clase A.

Convertidor Clase B; Este tipo de convertidores operan únicamente en el segundo

cuadrante, esto denota que aunque el voltaje en la carga es positivo, la corriente es

negativa, es decir, esta corriente fluye de la carga hacia la fuente principal del

convertidor. Este tipo de convertidor recibe también el sobrenombre de convertidor

regenerativo [10].

Figura 2.11 Representación de Corriente y Tensión en la Carga en un Convertidor Clase B.


21

Convertidor Clase C; Estos convertidores operan en los dos primeros cuadrantes,

aunque el voltaje en todo momento es positivo, la corriente que fluye a través de la

carga logra ser positiva o negativa. Es también llamado convertidor CD- CD de dos

cuadrantes [10].

Figura 2.12 Representación de Corriente y Tensión en la Carga de un Convertidor Clase C.

Convertidor Clase D; El convertidor clase D trabaja en el primer y cuarto cuadrante,

esto significa que el flujo de corriente en la carga siempre es positivo, pero el voltaje

puede ser positivo o negativo [10].

Figura 2.13 Representación Gráfica de Corriente y Tensión en la Carga de un Convertidor Clase D.

Convertidor Clase E, Finalmente, se tiene que un convertidor clase E trabaja en los

cuatro cuadrantes, es esta topología se pueden hallar corrientes fluyendo de la fuente


22

de entrada hacia la carga o viceversa, así también, en la carga se pueden medir voltajes

positivos o negativos [10].

2.7 CONVERTIDOR CD-CD REDUCTOR CON CARGA

La topología de un convertidor CD-CD reductor que tiene como carga un motor de corriente

directa se representa como un convertidor CD-CD de bajada que tiene una carga con parte

resistiva, inductiva y una fuerza electromotriz, este último término se refiere a un nivel de

tensión opuesto al voltaje de la fuente de alimentación. Este convertidor es de clase A, es

decir, trabaja en el primer cuadrante ya que tanto el nivel de tensión y corriente al ser medidos

en la carga son positivos [11]. La topología de este convertidor aparece en la figura 2.14.

Figura 2.14 Topología del Convertidor CD-CD Reductor con Carga

Como lo muestra la figura anterior, los parámetros de la carga en el convertidor están

implícitos dentro de la estructura de un motor de CD, donde es la resistencia del motor,

es la fuerza electromotriz que produce el motor y que es el la inductancia del motor; la

inductancia del motor es la inductancia del convertidor.

2.8 ANÁLISIS DEL CONVERTIDOR CD-CD REDUCTOR CON CARGA

Al igual que un convertidor reductor con carga resistiva, este convertidor puede trabajar en

dos modos de operación, en modo continuo, cuando la corriente que fluye a través del inductor

nunca tiene el valor de cero en un intervalo de tiempo; y en modo discontinuo, donde la

corriente no fluye por el inductor en un intervalo de tiempo. En este trabajo se abordará el

análisis en modo continuo, ya que al tener un motor de CD como carga, este siempre estará


23

trabajando a una determinada potencia, por lo que la corriente siempre se mantendrá fluyendo

a través del inductor y nunca llegará a valer cero.

2.8 .1 Tiempo de Encendido

Cuando el interruptor se encuentra cerrado, significa que el transistor estará conduciendo, el

circuito resultante se muestra en la figura 2.15:

Figura 2.15 Comportamiento de Convertidor CD-CD Reductor con Carga con .

(2.43)

Quedando:

(2.444)

La solución de la ecuación diferencial que se tiene anteriormente es:

(2.45)

es el valor de la corriente en un , cuando el convertidor trabaja en modo continuo este

valor se considerará como el valor de la corriente mínima

Cuando el tiempo , el valor de la intensidad de corriente en la carga alcanzará su

valor máximo; se sabe por la configuración del convertidor, la corriente es la corriente que

circula por el inductor por tanto se deduce:

(2.46)


24

2.8.2 Tiempo de Apagado

Cuando la corriente alcanza el valor máximo el transistor se abre, quedando sin interacción la

carga con la fuente de alimentación, dado que el inductor cambiará su polaridad, este pondrá

en conducción al diodo de carrera libre y la bobina comenzará a descargar su corriente. Por

tanto, se tiene el circuito mostrado en la figura 2.16:

Figura 2.16 Comportamiento de Convertidor CD-CD reductor con carga con .

(2.47)

La solución de la ecuación diferencial es:

(2.48)

Tomando la expresión en función del tiempo, teniendo en cuenta de que cuando el valor de t =

T, el valor de corriente que circule por el inductor será el mínimo, la ecuación es:

(2.49)

Sustituyendo la ecuación 2.46 en la ecuación 2.49, la ecuación resultante:

(2.50)

Para obtener la ecuación para la corriente máxima del inductor, se sustituye la ecuación 2.50

en la ecuación 2.46, quedando como resultado:


25

(2.51)

El valor del rizo de corriente en el inductor se define por:

(2.52)

Sustituyendo las ecuaciones 2.50 y 2.51 en la ecuación 2.52, el valor de la variación de la

corriente en términos del ciclo de trabajo resulta la siguiente ecuación:

(2.53)

La condición de máximo rizado es:

(2.54)

En base al desarrollo de la expresión anterior queda:

(2.55)

(2.56)

El rizo de la corriente máxima pico a pico cuando el ciclo útil es igual a 0.5 se obtiene por:

(2.57)

Si 4fL>>R, el rizo de la corriente máxima se aproxima a:


26

(2.58)

Entonces la corriente en un convertidor con carga R, L, FEM será continua si cumple que la

relación entre inductancia y resistencia sea mucho mayor que el periodo o que la inductancia

multiplicada por la frecuencia sea mucho mayor a la resistencia [11], quedando así:

(2.59)

El rizado máximo se puede obtener mediante la siguiente expresión considerando que la

intensidad de corriente es de tipo lineal, esto queda:

(2.60)

Si el incremento de tiempo es igual al tiempo en conducción del interruptor la expresión es:

(2.61)

Las expresiones que surgen a partir de la deducida anteriormente son:

La corriente media en la carga del convertidor es:

(2.62)

(2.63)

La corriente mínima está dada por:

(2.64)

Donde la corriente máxima es:

(2.65)

La tensión media de salida o el voltaje promedio en la carga es:


27

(2.66)

(2.67)

2.9 PROCESAMIENTO DE POTENCIA EN UN CONVERTIDOR CD-CD

El campo de la electrónica de potencia se concentra en el procesamiento de la potencia

eléctrica por medio del uso de dispositivos semiconductores como es el caso de los

interruptores de potencia. El elemento clave es la aplicación de convertidores conmutados. En

general, un convertidor conmutado contiene dos puertos de entrada y dos puertos de salida,

por lo tanto, la potencia de entrada es procesada según lo especificado por la señal de control,

obteniendo a la salida la potencia acondicionada. En el caso del convertidor CD-CD el voltaje

de entrada es convertido a un nivel de voltaje superior o inferior, dependiendo de la topología

del convertidor.

La aplicación de control es requerida, ya que es siempre deseado obtener una salida de voltaje

bien regulada, aunque existan variaciones de voltaje a la entrada o de corriente en la carga. La

alta eficiencia es esencial en estos casos, la principal razón es debido al ahorro de capital en

tarifas eléctricas, además una baja eficiencia en convertidores provoca un bajo rendimiento del

sistema, lo que es impráctico. La eficiencia en un convertidor está dada por la potencia de

salida con respecto a la potencia de entrada, esto se muestra en la ecuación 2.66.

(2.68)

La potencia perdida en el convertidor es:

(2.69)


28

Esta potencia es disipada por los elementos del convertidor en forma de calor y tiene que ser

removida para no causar daños considerables; aumentar la eficiencia es la clave para obtener

potencias de salida más altas.

Para obtener la representación grafica de la potencia perdida contra la eficiencia es necesario

obtener el cociente de la potencia perdida entre la potencia de salida para que resulte un factor

y se pueda representar contra el factor del valor de la eficiencia [17].

29

CAPÍTULO III

DESCRIPCIÓN DEL CONVERTIDOR CD-CD

CON ALIMENTACIÓN Y CARGA.

3.1 SUPERCAPACITORES

Actualmente la humanidad está demandando una gran cantidad de energía conforme su

nivel de desarrollo va creciendo. Las fuentes de energía convencionales que hoy en día se

tienen son limitadas, es por esto que autoridades y gobiernos están promoviendo el ahorro

de energía y la eficiencia energética. En lo que respecta a las energías renovables, estas han

sido mantenidas y promovidas por dichas autoridades como una alternativa en vez del uso

de fuentes de energía convencionales. Todo esto con el fin de obtener energía eléctrica para

alimentar cualquier tipo de sistemas ya sean fijos o fijos o móviles.

Con respecto a la manera de alimentar un sistema físico, este fácilmente es conectado al

suministro local de electricidad y comienza a funcionar; en el caso de sistemas móviles,

estos deben de contar con un suministro de alimentación que le dé a este autonomía para

que se pueda desplazar de un sitio a otro sin la necesidad de estar conectado por medio de

cables a una fuente de alimentación fija. Es por estos últimos por lo que el almacenamiento

de energía comienza a ser un tema de gran desarrollo en la actualidad. En la figura 3.1 se

ilustran los sistemas de almacenamiento de energía más utilizados actualmente.

Figura 3.1 Sistemas de Almacenamiento de Energía.


30

Como se muestra en la figura 3.1, los supercapacitores, también llamados ultracapacitores

se encuentran presentes en todo sistema de almacenamiento existente; estos dispositivos

que también reciben el nombre técnico de capacitores electroquímicos de doble capa tienen

alta densidad de potencia y energía, alta eficiencia, cercana al 95% y una larga esperanza de

vida [12].

La densidad de energía es la cantidad de energía almacenada en una región del espacio o en

un sistema por unidad de volumen. Sus unidades están dadas en Joules sobre Kilogramo

(

).Por densidad de potencia se refiere a la cantidad de potencia por unidad de volumen y

se expresa en Watts sobre metro cúbico (

) [13].

Los supercapacitores almacenan energía de la misma manera que los capacitores

convencionales, pero utilizan una mayor área de superficie de electrodos y dieléctricos más

delgados para lograr valores de capacitancias más grandes que las que normalmente son

conocidos. Esto a su vez permite tener mayor densidad de energía que la que tienen los

capacitores conocidos y mayor densidad de potencia que las de las baterías. Esto da como

resultado, que esta tecnología este revolucionando hoy en día la manera de almacenar

energía ya que cada vez está siendo utilizada en un mayor número de aplicaciones.

Los capacitores comúnmente conocidos consisten en dos electrodos separados por un

material dieléctrico aislante. Cuando un voltaje de CD es aplicado en las terminales del

capacitor, cargas opuestas se acumulan en la superficie de cada electrodo, dichas cargas

están separadas por el dieléctrico, además de que estas se atraen formando un campo

eléctrico, es así como se logra el almacenamiento de energía.

Figura 3.2 Esquema de un Capacitor Convencional.

Capítulo 3: DESCRIPCIÓN DEL CONVERTIDOR CD-CD CON ALIMENTACIÓN Y CARGA

31

La carga Q almacenada en un capacitor de capacitancia Farads a un voltaje de Volts,

está dada por la siguiente ecuación:

(3.1)

De aquí que la capacitancia este definida como la razón de la carga positiva almacenada

entre el voltaje aplicado.

(3.2)

Los capacitores pueden proporcionar gran cantidad de energía almacenada, por lo que se

tiene que la energía almacenada en el capacitor es directamente proporcional a su

capacitancia.

(3.3)

También se tiene que la capacitancia es directamente proporcional a la superficie del área

de cada electrodo e inversamente proporcional a la distancia entre los electrodos.

(3.4)

El producto de los dos factores que aparecen inmiscuidos en la formula anterior es una

constante de proporcionalidad, donde ε0 es conocida como la constante dieléctrica o

permitividad del aire o espacio libre y εr es la constante dieléctrica del material aislante

entre los electrodos. Otra forma de expresar la ecuación anterior es:

(3.5)

Donde ε es la permitividad del material que se encuentra entre los electrodos.


32

La potencia es la energía que expide o gasta el capacitor por unidad de tiempo. Para

determinar la potencia para un capacitor, se debe de considerar que los capacitores están

generalmente representados como un circuito en serie con una carga o resistencia externa

.

Los componentes internos del capacitor como lo son los electrodos y el material con el que

está elaborado el dieléctrico también contribuyen a esta resistencia R, la cual es medida en

adición por una cantidad conocida como la resistencia equivalente serie o también conocida

ESR por sus siglas en inglés. El voltaje durante la descarga del capacitor es determinado

por estas resistencias. Cuando se mide a una impedancia compatible , la potencia

máxima para un capacitor está dada por:

(3.6)

Esta relación muestra como la resistencia equivalente serie puede limitar la potencia

máxima del capacitor [14, 15].

Los supercapacitores no usan un dieléctrico similar al de los demás capacitores, más bien,

son dos placas separadas por una sustancia que interviene entre ellos, estos capacitores usan

placas que son fabricadas de un mismo material y mismas propiedades eléctricas, es por

esto que también son llamados capacitores de doble capa. Esto resulta en la separación

eficaz de la carga a pesar de que es infinitamente delgada (en el orden de nanómetros) esta

separación física entre capas. Además, el no haber necesidad de una capa voluminosa del

dieléctrico permite un empaque de placas con mucha mayor superficie de área dentro de un

tamaño dado, teniendo como resultado altas capacitancias en empaque de tamaño practico.

La doble capa puede resistir solamente a bajos voltajes, lo cual significa que los capacitores

eléctricos doble capa considerados para voltajes elevados deben de estar acomodados en

arreglos en conexión serie de supercapacitores individuales doble capa, de igual forma que

las celdas conectadas en serie que se encuentran en las baterías de voltaje, como lo es el

caso de la batería de un automóvil.


33

En general, los capacitores eléctricos de doble capa o supercapacitores mejoran la densidad

de almacenamiento a través del uso de un material con nanoporos, típicamente carbón

activo, en lugar de colocar una barrera aislante como es común en los capacitores

convencionales. El carbón activo es un polvo compuesto de partículas extremadamente

pequeñas y rugosas, en volumen forman una gran cantidad de partículas con agujeros de

baja densidad quedando una estructura similar a la de una esponja.

El área de superficie total de una capa delgada de tal material es más grande que la del

aluminio, permitiendo tener muchos más portadores de carga para ser almacenados en

cualquier cantidad dada. La desventaja es que el carbón está tomando el lugar de mejores

aislantes usados en capacitores convencionales, por lo que en general, los capacitores de

doble capa usan una baja diferencia de potencial de hasta 3 Volts a lo más.

Figura 3.3 Esquema de un Capacitor de Doble Capa.

En términos de densidad de energía, existen capacitores eléctricos de doble capa que se

encuentran entre 0.5 y 30 Whr/Kg, un nivel bajo de densidad de energía ya que se queda

abajo del valor de densidad de energía que se encuentran en algunas baterías, por ejemplo

las típicas baterías de plomo-ácido tienen una densidad de energía de 30 a 40 Whr/Kg y las

baterías modernas de litio-ion tienen alrededor de 160 Whr/Kg. Por otra parte, estos

supercapacitores ofrecen una densidad de potencia muy grande que oscila entre uno y cien

veces más que la que tiene las baterías [12].


34

Figura 3.4 Densidades de Potencia y Energía de un Supercapacitor.

3.1.1 Ventajas y Desventajas en los Supercapacitores

Ventajas

Muy altas tasas de carga y descarga.

Poca degradación por encima de cientos de miles de ciclos de carga y descarga.

Baja toxicidad en los materiales utilizados, es amigable con el medio ambiente.

Alta eficiencia (95% o más).

Desventajas

La cantidad de energía por unidad de volumen es considerablemente baja en

comparación con una batería. Esto en proporción es una diezmilésima parte de la

densidad de energía de la gasolina.

El voltaje varía de acuerdo a la energía que se encuentre almacenada en el capacitor.

Para un almacenamiento y recuperación eficaz de energía se requieren sistemas

electrónicos de control y equipo de conexión sofisticados.


35

3.2 INDUCTOR

El uso de convertidores CD-CD en la actualidad está en incremento debido al uso de

nuevas tecnologías dentro de la electrónica de potencia ya que los sistemas electrónicos

tienden a convertirse en sistemas más compactos, más complejos y los requerimientos de

dispositivos de potencia tienden a tener mayor aplicación en distintas áreas. No solo el

mercado de convertidores se ha vuelto cada vez más grande sino que cada vez más

diseñadores crean sus propios diseños de convertidores CD-CD en vez de adquirirlo con

compañías especialistas en la construcción de dichos convertidores [16]. De aquí que el

diseño del inductor se vuelva un punto clave para que el convertidor regule el valor deseado

de tensión a su salida y que el modo de conducción para este caso siempre se mantenga en

modo continuo. En el diseño de un inductor es necesario obtener el valor deseado, también

se necesita evitar la saturación del núcleo y obtener una baja resistencia generada por los

devanados.

El inductor para ello puede ser modelado por su circuito equivalente que consiste en una

bobina y un resistor y que a través de ellos pasa una corriente . El inductor no debe

saturarse cuando el peor caso de corriente pico es aplicado, esta corriente pico también se le

conoce como corriente máxima (Imax). Las pérdidas del cobre, que se puede interpretar

como la potencia que disipara el cobre del inductor al generar este un efecto resistivo. Se

tiene que:

(3.7)

Se asume que la geometría de un inductor es topológicamente a un arreglo serie de dos

reluctancias, entiéndase por reluctancia a la resistencia que posee un material que se

encuentra bajo la influencia de un campo magnético; las dos reluctancias antes

mencionadas son la reluctancia del núcleo y la reluctancia del entrehierro . Esto se

ilustra en las figuras 3.5 y 3.6.


36

Figura 3.5 Representación de un Inductor.

Figura 3.6 Circuito Equivalente de un Inductor.

Esto se demuestra:

(3.8)

(3.9)

Donde es la longitud del núcleo magnético, es el área transversal del núcleo, es la

permeabilidad del núcleo y es la longitud del entrehierro. Se asume que el núcleo y el

entrehierro tienen el mismo valor de área de la sección transversal. Quedando así la

ecuación 3.10:

(3.10)


37

Pero Rc<< por lo tanto despreciando al término más pequeño la expresión queda:

(3.11)

Dada una corriente pico en el devanado , esto es deseado para operar la densidad de

flujo del núcleo a su máximo valor , este valor es escogido para ser menor que el

peor caso de densidad de flujo de saturación Bsat del material del núcleo. La sustitución de

provoca que:

(3.12)

Y sustituyendo y , queda:

(3.13)

El valor de la inductancia es el valor al que se debe de llegar partiendo de las expresiones

antes descritas:

(3.14)

El devanado o los devanados deben ajustarse a través de la ventana que forma el núcleo, es

decir, el agujero en el centro del núcleo. El área transversal del conductor o área

descubierta se denomina .

Figura 3.7 Áreas que Conforman al Inductor.


38

Si el devanado tiene vueltas, el área de conducción del cobre en la ventana es:

Si el núcleo tiene área de ventana , entonces se puede expresar el área disponible para el

devanado como:

Donde es el factor de utilización de ventana o factor de llenado, entonces se tiene la

siguiente condición:

(3.15)

El factor de llenado es la fracción del área de ventana del núcleo que es llenada con

cobre. El factor se debe encontrar entre cero y uno. Hay varios mecanismos que causan

que dicho factor sea menor que la unidad. El alambre no es perfectamente enredado, esto

reduce el valor de de 0.7 hasta 0.55 dependiendo de la técnica que se utilice para hacer

el devanado.

Valores típicos de para núcleos con devanados son: 0.5 para un simple inductor de bajo

voltaje y 0.65 para inductores de hojas de bajo voltaje.

La resistencia del devanado se obtiene a partir de la siguiente expresión:

(3.16)

Donde ρ es la resistividad del material conductor, es la longitud del alambre, y es el

area descubierta del alambre. La resistividad del cobre a temperatura ambiente es 1.724 x

10-6

Ω-cm. La longitud del alambre que comprende n vueltas del devanado puede

expresarse como:

(3.17)


39

Donde es la medida de longitud por vuelta del devanado, está en función de la

geometría del núcleo. Sustituyendo este valor en la formula de la resistencia del devanado

queda:

(3.18)

Conjuntando las expresiones 3.17 y 3.18 se obtiene la expresión 3.19:

(3.19)

Las cantidades del lado derecho de esta inecuación son especificaciones u otras cantidades

conocidas, la parte del lado izquierdo de la ecuación es una función de únicamente la

geometría del núcleo, es necesario obtener un núcleo que satisfaga la condición anterior. La

cantidad:

(3.20)

es llamada constante geométrica y está dada en unidades de longitud elevadas a la

quinta potencia.

Para determinar el tamaño del núcleo a utilizar se tiene:

(3.21)

En esta parte el uso de centímetros en vez de metros, requiere que factores apropiados sean

agregados a las ecuaciones de diseño, como es el caso de la ecuación anterior.

También se tiene que para determinar la longitud del entrehierro:

(3.22)


40

Con expresada en = 4Π x . La longitud del entrehierro como lo indica

la expresión anterior será dada en metros.

Empresas dedicadas a la fabricación y venta de núcleos. Más allá de especificar la longitud

del entrehierro, utilizan una constante llamada , conocida también como índice de

inductancia. es igual a la inductancia dada en miliomhs, obtenida con un devanado de

1000 vueltas. De esto se tiene la siguiente expresión:

(3.23)

Donde está dada en cm2, está dada en Henries, y está dada en teslas [17].

Esta expresión también puede quedar en función del valor deseado de la inductancia y el

número de vueltas.

(3.24)

3.3 DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE INDUCTORES

Los principios básicos de diseño de componentes magnéticos y las técnicas empleadas para

esto, han permanecido por mucho tiempo. El enfoque clásico de diseño de inductores

consta de alambre magneto y núcleos de distintas formas y materiales. Que a pesar de esto

ha habido mejoras gracias a nuevos materiales en los núcleos que han permitido operar a

mayores frecuencias y extender los rangos de trabajo a mayores temperaturas. Sin embargo

el alambre magneto se ha mantenido sin cambios, si a caso se ha logrado que este soporte

funcionar en mayores rangos de temperatura.

3.3.1 Inductor Fabricado con Láminas de Cobre

Actualmente, la mayoría de inductores continúa construyéndose con alambre magneto

convencional como conductor, pero también, se ha encontrado una nueva alternativa de

construcción de inductores que como conductor tienen hojas o láminas de cobre en vez de

alambre magneto. Pese a esto las expresiones de diseño siguen aplicando a este nuevo tipo

de inductores. Esta técnica es llamada “copper foil”, aquí el inductor contara con un


41

devanado libre de espiras en vez de eso las laminas de cobre se enrollarán una sobre otra

para obtener el numero de vueltas deseado en el diseño.

Figura 3.8 Inductor de Láminas de Cobre.

Esta nueva manera de construcción de inductores ofrece varias ventajas como: la reducción

de tamaño ya que componentes hechos con hojas de cobre tienden a usar el espacio del

devanado de manera más eficiente, mejor disipación de calor ya que el conductor puede

retirar calor desde el centro de la bobina, tiene una mayor fuerza mecánica lo que hace que

los inductores “copper foil” sean mucho más robustos [18].

3.3.2 Diseño de Inductores

Dado que en la actualidad el número de diseñadores de componentes magnéticos va en

aumento, las compañías fabricantes de núcleos, que es la parte más importante que

compone al inductor, debido a la gran demanda y a la competencia con otras industrias,

algunos fabricantes se han dado a la tarea de innovar la manera en promocionar sus

productos, una de estas maneras con las que se busca generar mayor número de clientes y

comercialización de sus productos es facilitar el diseño de inductores mediante software

que haga el diseño únicamente teniendo los parámetros principales como información

principal.

Uno de estos fabricantes que ha innovado la manera de diseñar componentes magnéticos

como lo son los inductores aplicados en la electrónica de potencia es la empresa MetglasR.

MetglasR, empresa líder a nivel mundial en la producción de cinta de metal amorfo y

componentes usados en la producción de transformadores de distribución eléctrica,

componentes magnéticos de alta frecuencia para electrónica de potencia, aleaciones para


42

soldadura, entre otros. Basados en tecnología desarrollada en Metglas, Inc. En Morristown,

Nueva Jersey, E.U.A.

Dicha empresa ha desarrollado un programa de computadora, el cual permite a un

diseñador introducir parámetros como el valor de inductancia, corriente máxima, tipo de

inductor que se va a construir, entre otros; este entrega como resultado el número de

vueltas y el núcleo a utilizar si es que no se ha especificado. A continuación se muestra la

presentación de dicho software:

Figura 3.9 Software Empleado en el Diseño de Inductores.

Este software aparece en la página de la empresa Metglas y puede ser obtenido de manera

gratuita.

Con la ayuda de las expresiones de diseño, las nuevas herramientas como es el caso del

software y la aparición de una mejor descripción de características de los núcleos en sus


43

hojas de datos, el diseñar de inductores se ha vuelto hoy en día una tarea sencilla en

contraste con la dificultad con que anteriormente esto se desarrollaba.

3.4 CONTROL PARA UN CONVERTIDOR CD-CD ELEVADOR

En los convertidores CD-CD, el voltaje de salida se encuentra en función del voltaje de

entrada, del ciclo útil del ancho de pulso y de la corriente en la carga, de la misma manera

de los valores de los dispositivos que conforman al convertidor. En la mayoría de

aplicaciones de convertidores CD-CD, se desea obtener un voltaje de salida constante a

pesar de las perturbaciones que se llegasen a tener en el voltaje de entrada del convertidor o

en la corriente en la carga y también a pesar de las variaciones en los demás elementos del

convertidor. Las causantes de tales variaciones y perturbaciones son muchas. Por ejemplo,

el voltaje de entrada de una fuente de alimentación normalmente contiene variaciones

periódicas en el segundo armónico de la frecuencia del sistema de alimentación de la red

eléctrica (120 Hz), producido por un circuito rectificador. La magnitud del voltaje de

entrada también puede tener variaciones a causa de que un sistema de potencia que se

encuentre cerca sea encendido o apagado. La corriente de carga puede tener variaciones de

amplitud significativa, ya que si esta no es de valor constante, es decir que el valor de la

carga se encuentre variando. Los valores de los dispositivos son construidos a cierta

tolerancia y al no ser ideales estos tienen algunas caídas de voltaje entre sus terminales lo

que causa perturbaciones. En estos convertidores lo que se desea es que a su salida el

convertidor entregue un voltaje en un rango casi constante, pero esto no es posible de lograr

a menos de que se le aplique al sistema una retroalimentación negativa, es decir, hay que

introducir al convertidor un sistema que actúe en contra de las perturbaciones.

En este caso se desea obtener un sistema que mediante la retroalimentación negativa ajuste

el ciclo útil, para obtener el voltaje deseado a la salida con una gran precisión, sin tener en

cuenta las perturbaciones en el voltaje de entrada o en la corriente de carga o variaciones en

los valores de los componentes. [17]

A continuación se muestra un diagrama en el cual explica los bloques que contiene una

retroalimentación negativa para un convertidor CD-CD elevador.


44

Figura 3.10 Diagrama a Bloques para Control en Modo Voltaje de un Convertidor CD-CD.

La topología de retroalimentación negativa de la figura anterior se le conoce como control

por modo de voltaje.

Este modo de control consiste en que el voltaje de salida es simplemente regulado por el

cierre del lazo de retroalimentación entre la señal de voltaje de salida y el ciclo útil de la

señal de pwm (modulación por ancho de pulso). La salida de voltaje es comparada con una

señal constante de referencia que dará como resultado la señal resultante que no es otra

cosa que la diferencia de las dos señales antes comparadas, posteriormente la señal entra en

la etapa de compensación, aquí se ajusta el nivel de la señal para que posteriormente se

compare en la etapa de pwm con una señal diente de sierra para lograr la modulación por

ancho de pulso, el ajuste de la señal en la etapa de compensación establecerá el nivel

máximo de ciclo útil. Posteriormente estos pulsos serán enviados al controlador de

compuerta que será el encargado de mandar este pulso sin distorsiones y con la amplitud

necesaria para disparar al mosfet adecuadamente.

Simples sistemas de control analógico como este son los más apropiados para muchas

aplicaciones de convertidores CD-CD debido a su bajo costo, alta inmunidad al ruido y a su

alta velocidad [19].


45

3.5 INTERRUPTORES DE POTENCIA

La parte principal de cualquier circuito de electrónica de potencia es su red de conmutación

de semiconductores. El uso de dispositivos semiconductores está estrechamente relacionado

con una buena eficiencia en los convertidores CD-CD. Estos semiconductores de

conmutación son usados en el área de electrónica de potencia a causa de que pueden

manejar muy altas cantidades de potencia desde su entrada hasta su salida con una

disipación de potencia relativamente baja.la eficiencia es una importante figura de merito y

está implicada de manera significativa en el rendimiento de cualquier sistema. La baja

eficiencia en sistemas de potencia, grandes cantidades de potencia disipadas en forma de

calor, lo cual resulta en incremento de costo de energía debido al incremento de consumo

de esta, una alta disipación de potencia obliga a un dispositivo de conmutación a operar a

frecuencias bajas, resultando baja respuesta de trabajo, reduce el buen desempeño de

componentes y dispositivos. Por muchos años se ha demostrado que el uso de conmutación

en dispositivos es la mejor forma posible para lograr una alta eficiencia.

3.5.1 Interruptor Ideal e Interruptor Real

Es conveniente en todos los casos tener un desempeño en interruptores de potencia tan

cercano como sea posible al caso ideal, algunas características de este último son:

El dispositivo no tiene límite de corriente cuando este se encuentra en modo

de conducción, es decir encendido.

Resistencia infinita cuando el dispositivo se encuentra apagado, es decir, no

existe fuga de corriente cuando el dispositivo se encuentra en estado de no

conducción.

No existe limite de voltaje entre las terminales del dispositivo cuando este se

encuentra en estado de no conducción.

En cabios de estado de conmutación no hay límite de velocidad, es decir que

los tiempos en que el dispositivo pasa de encendido a apagado y viceversa

son cero.

Ahora bien, en el caso de un interruptor real se tienen las siguientes características:


46

Existe un límite de manejo de potencia, esto se traduce a que la cantidad de

corriente que el dispositivo puede conducir a través de él se encuentra

limitada, de igual manera, el voltaje entre sus terminales también está

limitado.

Tiene una velocidad limite de conmutación lo que provoca que haya valores

de tiempo en los cambios de encendido a apagado y de apagado a encendido,

esto a su vez limita la frecuencia de operación del circuito.

Existen fugas de corriente cuando el dispositivo se encuentra apagado ya

que existe un valor de resistencia entre sus terminales.

3.6 MOSFET DE POTENCIA

El desarrollo de la tecnología de semiconductor metal-oxido para circuitos

microelectrónicos dio la pauta para el desarrollo de los transistores de efecto de campo con

esta misma tecnología; a diferencia de trabajar con baja potencia, los dispositivos de alta

potencia tienen una estructura más compleja y sus características de operación de corriente

y voltaje son más difíciles de entender. Este conocimiento es de gran importancia para los

ingenieros en electrónica de potencia al momento del diseño de circuitos para acercarse al

caso ideal en estos [20].

Este tipo de transistor es empleado en el manejo de alta potencia y se fabrica en dos tipos,

de enriquecimiento y de empobrecimiento y estos a su vez tienen una subderivación

conocida como canal n o canal p. En este caso la redacción se enfocará a la explicación del

transistor mosfet de enriquecimiento canal n. A continuación se muestra el símbolo de este

tipo de transistor.

Figura 3.11 Representación Gráfica de un Mosfet de Enriquecimiento Canal n.


47

3.6.1 Estructura

Es un dispositivo de tres terminales llamadas compuerta (G), drenaje (D) y fuente (S), su

estructura esta denominada por cuatro capas n+pn

-n

+, el dopaje en las capas n

+ de los

extremos describe a la fuente y al drenaje, es aproximadamente igual en ambas capas y es

bastante larga, típicamente 1019

cm-3

. La capa n- es la región donde se deriva el drenaje.

Esta derivación determina el voltaje de ruptura del dispositivo, es decir el nivel de voltaje

máximo que el dispositivo puede tener entre sus terminales.

A primera vista, parecería que en esta región antes mencionada, no existe camino por el

cual pueda fluir corriente entre las terminales de drenaje y fuente debido a que se forma una

unión pn que bloquearía el paso de corriente entre drenaje y fuente. Ahí no puede haber

inyección de portadores minoritarios dentro de esta región a través de la terminal de

compuerta dado que esta se encuentra aislada por una capa de dióxido de silicio, la cual es

un muy buen aislante. Sin embargo una aplicación de voltaje que haga que la compuerta sea

positiva con respecto a la fuente convertirá la superficie de silicio que está bajo la

compuerta en una capa o canal de tipo n que conectará la fuente hacia el drenaje

permitiendo el flujo de corrientes apreciables [22].

Figura 3.12 Estructura Interna de un Mosfet de Enriquecimiento Canal n.


48

3.6.2 Capacitancias Internas

Un parámetro de gran relevancia que afecta a la conmutación del mosfet son las

capacitancias parasitas que existen entre las tres terminales del circuito, la capacitancia

entre compuerta y fuente se denomina Cgs, entre compuerta y drenaje se denomina Cgd, y

entre drenaje y fuente se conoce como Cds. Los valores de estas capacitancias son no

lineales y están en función de la estructura del dispositivo, geometría y voltajes de

polarización. Durante el encendido, los capacitores Cgd y Cgs son cargados a través de la

compuerta, por lo tanto el diseño del circuito controlador de compuerta debe tener en

consideración las variaciones de estas capacitancias. Las variaciones mayores ocurren en la

capacitancia que se encuentra entre drenaje y compuerta. El objetivo del controlador de

compuerta es el de cargar y descargar las capacitancias que existen entre compuerta fuente

y compuerta drenaje. Ya que si el pulso es puesto directamente en la compuerta, este se

deformará, causando una indeseada conmutación.

Figura 3.13 Capacitancias Parásitas en el Mosfet.

3.6.3 Resistencia de Estado Encendido

Cuando el mosfet está en operación, entre drenaje y fuente se forma una especie de

Resistencia RDS(on), el valor de esta resistencia es obtenido mediante la ley de ohm,

aplicando una división del voltaje que existe entre el drenaje y la fuente entre la corriente

de drenaje.


49

El valor de RDS(on) en ocasiones llega a ser un valor significativo, se encuentra en un rango

de decenas de miliomhs para mosfets de bajo voltaje y para mosfets de alto voltaje el valor

de esta resistencia es de pocos omhs [20].

3.6.4 Características de Voltaje y Corriente

Cuando el mosfet se usa como interruptor este refleja su comportamiento que gráficamente

está representado por la corriente de drenaje en función del voltaje entre drenaje y fuente.

Este se encuentra atravesando desde la región de corte, pasando por la región activa y

llegando a la región óhmica cuando el dispositivo es encendido y regresa nuevamente a la

región de corte cuando este es apagado.

El mosfet se encuentra en la región de corte cuando el nivel de voltaje entre compuerta y

fuente se encuentra por debajo del voltaje de umbral compuerta-fuente VGS(th), este valor se

encuentra a pocos volts en la mayoría de los mosfet de potencia. Aquí el dispositivo se

comporta como circuito abierto y contiene el voltaje de alimentación aplicado al circuito.

Esto a su vez quiere decir que el voltaje de ruptura entre drenaje y fuente debe ser mayor al

aplicado entre drenaje y fuente para evitar la ruptura y la alta potencia de disipación.

Cuando el dispositivo es controlado con un valor de voltaje compuerta-fuente de mayor

magnitud este se encuentra trabajando dentro de la región óhmica. [21]

Figura 3.14 Curvas de Corriente y Voltaje en un Mosfet de Enriquecimiento Canal n.


50

Figura 3.15 Curva de Transferencia en un Mosfet de Enriquecimiento Canal n.

Con lo visto anteriormente se concluye que la elección de un mosfet se basa tanto en la

corriente y el voltaje con los que este tendrá interacción, siempre cuidando que se tenga un

pulso de disparo adecuado mediante un circuito controlador de compuerta que a su vez

también tenga una amplitud tal que supere el valor de VGS(th).

3.7 DIODO DE POTENCIA

Un diodo es un dispositivo electrónico de potencia de dos terminales llamadas ánodo y

cátodo que funciona como interruptor, entre sus funciones destacan, aisladores de voltaje,

carrera libre, conmutación, etc. El análisis de sistemas que incluyen diodos los hacen

parecer como interruptores ideales aunque en realidad, estos tienen parámetros que limitan

su funcionamiento como lo son las capacidades de manejo de voltaje entre sus terminales,

la intensidad de corriente máxima que puede fluir a través de ellos, su respuesta en

frecuencia, entre otros.

Figura 3.16 Representación Gráfica de un Diodo.

Estos dispositivos semiconductores están formados por una unión pn de silicio. El material

tipo n, consiste en silicio puro dopado o contaminado con una pequeña cantidad de un

elemento del grupo V, cada átomo del material contaminante forma un enlace covalente


51

dentro de la red cristalina del silicio, quedando dentro un electrón suelto, aumentando de

esta forma la conductividad del material. Cuando el silicio es contaminado con cantidades

pequeñas de elementos como el fosforo, resulta un semiconductor tipo n. Cuando el silicio

se dopa de manera intensa, el material formado es un semiconductor tipo n+.

Por otra parte, cuando el silicio puro se contamina con una cantidad mínima de algún

elemento del grupo III se introduce un sitio sin ocupar llamado hueco en la red cristalina

del silicio. Estos huecos aumentan en gran manera la conductividad del material. Si el

silicio es dopado en forma ligera con un elemento como el boro es un semiconductor tipo p,

si el dopado es intenso se crea un semiconductor tipo p+.

Figura 3.17 Curva de Transferencia en un Diodo.

3.7.1 Características del Diodo

Cuando la caída de potencial es positiva con respecto al cátodo, se dice que el diodo está en

polarización directa y esto permite que el dispositivo conduzca electricidad. Cuando un

diodo está en conducción existe una ligera caída de voltaje entre sus terminales, se

especifica en la hoja de datos que proporcional el fabricante. Al momento en que hay una

tensión positiva con respecto al ánodo, el diodo se encuentra en polarización inversa y no

existe conducción entre terminales. Si existe una caída de tensión positiva muy grande con

respecto al ánodo el diodo puede entrar en rompimiento es decir que el diodo conducirá en

sentido inverso.


52

3.7.2 Recuperación Inversa

Una vez que el diodo esta en conducción directa y enseguida su corriente que circula a

través de este se reduce a cero, el diodo continua conduciendo, hasta que los huecos y

electrones de la unión quedan neutralizados. A este tiempo se le llama tiempo de de

recuperación en sentido inverso o tiempo de recuperación inversa del diodo [11].

3.8 MOTORES DE CORRIENTE DIRECTA

Los primeros sistemas de potencia desarrollados en Estados Unidos de América

funcionaban con corriente directa, sistemas con este tipo de motores actualmente son muy

utilizados en coches, autobuses, camiones de carga y aviones principalmente. Lógicamente

si un sistema tiene un sistema de potencia de corriente directa es idóneo utilizar un motor

de corriente directa. Hay 5 distintos tipos de motores de corriente directa:

Motor de cd compuesto.

Motor de cd en derivación.

Motor de cd de imán permanente.

Motor de cd en serie.

motor de dc de excitación separada.

Este motor ha sido ampliamente usado en sistemas de tracción eléctrica debido a que es el

motor de corriente directa que proporciona mayor torque o fuerza mecánica ejercida sobre

el eje de transmisión por unidad de corriente que otro motor de CD existente. Sus

aplicaciones resaltan en vehículos, elevadores y locomotoras.

Con base en la curva de transferencia de este tipo de motor de corriente directa, la relación

entre el par y la velocidad es inversa ya que el motor proporcionará un gran torque a bajas

velocidades, en cambio a altas velocidades el torque será débil. Este principio es lo que lo

hace especial para que su utilización sea aplicada a tracción. En la figura 3.19 se muestra la

curva de par vs velocidad.


53

Figura 3.18 Respuesta de Par vs Velocidad en un Motor de CD en Serie.

Existe una sola forma de controlar la velocidad de un motor de CD en serie de manera

eficiente. Este método consiste simple y sencillamente en cambiar el voltaje en las

terminales del motor. Es decir al elevar el voltaje la velocidad aumentará y la velocidad

será reducida al disminuir el nivel de voltaje.

La velocidad de este tipo de motores también se puede controlar colocando resistencias en

serie al motor, pero esto conlleva a un gran desperdicio de potencia, por lo que no es

recomendable, aunque algunos motores utilizan este principio para ser arrancados. Este tipo

de control de velocidad se ha ido desplazando debido a la introducción de sistemas que

usan elementos semiconductores, como es el caso de los convertidores CD-CD [22].

54

CAPÍTULO IV

DISEÑO DEL SISTEMA.

4.1 SISTEMA DE ACCIONAMIENTO DE UN MOTOR DE CD SERIE A PARTIR DE

UN SUPERCAPACITOR

El sistema consiste en desarrollar un convertidor CD-CD conformado por dos convertidores

CD-CD conectados en cascada, teniendo un supercapacitor como fuente de alimentación,

siendo la carga un motor de corriente directa en serie. El diagrama a bloques del sistema se

muestra a continuación:

Figura 4.1 Diagrama a Bloques del Sistema.

FUENTE DE ALIMENTACIÓN: supercapacitor.

P1: protección contra corto circuito.

CONTROL 1: circuito de retroalimentación negativa que mantiene constante el

voltaje a su salida pese a la descarga que estará sufriendo el capacitor a todo

momento que se encuentre conectado al sistema.

CONTROL 2: circuito que controla el nivel de voltaje con el que será alimentada la

carga.

CARGA: motor de CD en serie sin carga mecánica que consume 200 Watts.

Capítulo 4: DISEÑO DEL SISTEMA

55

Figura 4.2 Diagrama Completo del Sistema.


56

4.2 CARGA Y FUENTE DE ALIMENTACIÓN

Para el desarrollo de este sistema se utilizara una carga que consume 200 Watts más una

consideración de pérdidas de potencia de un 25% de la potencia consumida por el motor

por lo que se considera una potencia total de 250 Watts, la carga es alimentada con 48

Volts, esta carga estará representada por un motor de CD en serie marca AUDUO, el cual

no tendrá conectada ninguna carga mecánica, su representación grafica aparece en la figura

4.2 en el bloque denominado motor de CD serie. El motor a utilizar se muestra a

continuación:

Figura 4.3 Motor de CD en Serie.

Con base en la carga, como fuente de alimentación será colocado un supercapacitor modelo

BMOD0165P48B. El supercapacitor puede ser ubicado como la fuente de alimentación

principal en la figura 4.2. Entre sus características este es un capacitor de 165 Farads a un

voltaje de 48 Volts, aunque la hoja de datos especifica que este puede ser cargado a un

voltaje no mayor a 51 Volts. Otro dato de relevancia para este supercapacitor es que puede

ser cargado con una corriente de hasta 150 Amperes [23].

Figura 4.4 Supercapacitor BMOD0165P48B.


57

4.3 DISEÑO DEL CONVERTIDOR CD-CD ELEVADOR

Se tienen los siguientes datos para el diseño del convertidor CD-CD elevador, El voltaje de

entrada del convertidor CD-CD que está dado por el voltaje que existe entre las terminales

del supercapacitor que va desde 48 Volts y que en el peor de los casos tendrá un voltaje de

entrada mínimo de 24 Volts; para tener a la salida 48 Volts. El fabricante del supercapacitor

recomienda que este no sea descargado a más de la mitad de su voltaje de almacenamiento

nominal para que su ciclo de vida útil no sea reducido [23]. La frecuencia de conmutación

elegida es de 10 KHz, esto siendo una decisión propia de diseño con base en la frecuencia

de trabajo del mosfet y la frecuencia de operación del núcleo del inductor.

Se tiene:

Voltaje de entrada: 24 Volts.

Voltaje de salida: 48 Volts.

Potencia: 250 Watts.

Frecuencia: 10 KHz.

Por la fórmula de potencia:

De la ecuación 2.10 el ciclo útil se da por:


58

Se calcula el valor de la inductancia mínima requerida para que el modo de trabajo del

convertidor se encuentre en modo continuo partiendo de la ecuación 2.22:

Ahora para el rizado de voltaje de 1% en la salida del convertidor, se calcula el valor

mínimo del capacitor aplicando la ecuación 2.27:

De la ecuación 2.21 surge la expresión para obtener el valor del rizo de corriente:


59

El valor del rizo de la corriente es muy grande para este caso crítico, para evitar

interferencias en otros sistemas y ruido en los sistemas de control del convertidor, se ha

decidido disminuir el rizo de corriente en un factor de ocho, aumentando el valor del

inductor. Partiendo de la ecuación 2.21:

El valor del rizo de corriente es:

Para la corriente media en la bobina se utiliza la ecuación 2.18:


60

4.3.1 Elección del Mosfet del Convertidor CD-CD Elevador

El interruptor de potencia debe de trabajar a una frecuencia mayor o igual a 10 KHz,

además que entre sus terminales tiene que soportar un voltaje mayor a 48 Volts entre sus

terminales drenaje y fuente cuando este se encuentre abierto y al momento que se encuentre

en conducción debe de soportar una corriente mayor a 10.42 Amperes, ya que la carga de

este convertidor puede demandar de manera abrupta niveles de corriente superiores pero en

intervalos de tiempo pequeños.

Por esta razón se eligió utilizar el Mosfet IRFB41N15D, que cumple con tales

características.

4.3.2 E lección del Diodo para el Convertidor CD-CD Elevador

El diodo de potencia debe soportar un voltaje de polarización inversa superior a los 48

Volts que es el voltaje que estará presente en el capacitor de salida cuando el Mosfet se

encuentre apagado, debe de soportar una corriente de 10.48 Amperes, aunque superior en

determinados lapsos de tiempo cuando sea demandado por la carga. También debe de tener

un tiempo de recuperación superior al periodo de la señal de conmutación y debe de tener

una caída de tensión muy baja entre sus terminales cuando este se encuentre en conducción.

Dado la necesidad de utilizar un diodo que cumpla con las características mencionadas

anteriormente se eligió el dispositivo HER3003C.


61

4.4 DISEÑO DEL INDUCTOR DEL CONVERTIDOR CD-CD ELEVADOR

El inductor del convertidor CD-CD elevador está diseñado de tres maneras distintas para

ilustrar la variedad de inductores de potencia que pueden emplearse en este tipo de

convertidores. Esto se debe a que los materiales del núcleo del inductor empleados para

cada caso se usan en convertidores de potencia.

4.4.1 Inductor con Láminas de Cobre con Software

El inductor fue diseñado por medio de láminas de cobre utilizando el software Metglas

porque el modelo de núcleo a emplear está fabricado por dicha empresa. El modelo es

AMCC-50.

Al momento de emplear el software dio como resultado un número de vueltas total de 12.

4.4.2 Inductor con Alambre de Cobre con Software

Este inductor es diseñado con ayuda del software que proporciona el fabricante del núcleo,

Metglas. El modelo del núcleo es AMCC-50.

La cantidad de número de vueltas es 12 con un alambre de cobre calibre 14 en la

nomenclatura AWG.

Ya que el núcleo a emplear es el mismo tanto en el diseño de láminas de cobre y alambre,

se demuestra que las expresiones de diseño para los devanados en un inductor aplican para

los dos tipos de inductores.

4.4.3 Inductor con Alambre de Cobre con Hoja de Datos

Para este tipo de inductor se utilizaran 2 núcleos de forma toroidal cuyo número de serie es

77930-a7, el material es kool Mµ y el fabricante es magneticsR; calibre de alambre #14.

Serán construidos dos inductores de 231 micro Henrys para formar el arreglo serie del valor

de la inductancia requerida. Para el cálculo del valor del número de vueltas del inductor a

diseñar se toma la ecuación 3.24:


62

De la hoja de datos del núcleo del inductor se obtiene el valor de la constante AL que es de

157.

Entonces para las inductancias de 230 µH.

Aplicando un redondeo quedaría un número de vueltas igual a 38.

Este diseño de inductor será empleado en la construcción de la bobina del convertidor CD-

CD elevador.

Figura 4.5 Inductores Empleados en la Implementación del Convertidor CD-CD Elevador.

La medición de inductancia para este arreglo de inductores es de 461.2 µH, por lo que este

es un valor casi similar al valor del diseño. Por lo tanto útil para esta aplicación.


63

4.5 DISEÑO DEL CONVERTIDOR CD-CD REDUCTOR

Dado que el único dato conocido es la potencia que consume el motor en vacio, es

necesario conocer el valor de inductancia y resistencia de este para verificar que el

convertidor trabaje en modo continuo.

Primeramente, se realizó la medición del valor de la resistencia interna del motor de CD.

Para esto con un multímetro marca AMPROBE modelo 35XP-A en modo óhmetro, fueron

medidos los valores de resistencia del devanado y del campo. Como resultados se tuvo:

Se aplicó un voltaje pulsado de 48 V de amplitud con un porcentaje de ciclo útil de 50 %.

Para tener un voltaje promedio de 24 Volts. Con esto se efectuó el cálculo del valor de la

inductancia del motor de CD. De la medición se obtuvo que el rizo máximo de corriente es

igual a 1.4 A. utilizando la ecuación 2.58:

Entonces si la relación de inductancia entre resistencia es mayor que el periodo de la señal a

la que conmuta el convertidor, este se encontrará trabajando en modo continuo, es decir, su

corriente nunca será cero en intervalos del tiempo. Tomando la relación que se encuentra en

la ecuación 2.59:


64

La relación de la inductancia entre la resistencia es mucho mayor al valor del periodo de la

señal, por lo tanto el convertidor trabajará siempre en modo continuo; aunque el valor de la

puede variar debido a que la corriente que fluye tiene una componente de CA, esto no

será problema para el diseño ya realizado ya que el valor de la resistencia a CA en todos los

casos será menor al valor de la ya obtenido a causa del efecto piel que se ocasiona

cuando una señal alterna circula por un conductor, reduciendo el valor de resistencia del

conductor; por esto, el convertidor siempre trabajará en modo de conducción continua.

4.5.1 Elección del Mosfet del Convertidor CD-CD Reductor

Por la topología del convertidor, que se encontrará conectado en cascada con el convertidor

elevador, este debe de soportar una tensión entre sus terminales del valor de la tensión de

salida del convertidor elevador, es decir 48 Volts y una corriente superior a 5.2 Amperes,

dado que la carga es un motor controlado de corriente directa, el valor de la corriente puede

crecer abruptamente y superar el valor de la corriente antes descrita, por esta razón se eligió

utilizar el Mosfet IRFB41N15D.

4.5.2 Elección del Diodo para el Convertidor CD-CD Reductor

El diodo a utilizar en el convertidor CD-CD reductor tiene que soportar un voltaje de

polarización inverso de 48 Volts debido a que es el voltaje máximo de alimentación de la

carga, a su vez, tiene que soportar el flujo de una corriente de 5.2 Amperes que es la

corriente máxima que circula en la carga cuando este se encuentra trabajando a 48 Volts, su

recuperación debe ser superior al periodo de la señal de conmutación del Mosfet. El diodo

elegido para esta aplicación es el HER3003C.

4.6 DISEÑO DE LA ETAPA DE CONTROL PARA EL CONVERTIDOR CD-CD

ELEVADOR (ETAPA DE CONTROL 1)


65

Debido a que el convertidor elevador tendrá como fuente de alimentación a un

supercapacitor que normalmente tendrá como voltaje máximo de alimentación 48 V y al

momento en que la carga este conectada, este se mantendrá descargándose continuamente

hasta que se encuentre descargado a un valor de 24 V, tiene que existir un sistema que a

pesar de los voltajes variantes de la entrada, a la salida siempre se mantengan regulados 48

Volts. Ya que en este rango de alimentación del supercapacitor, la carga y la siguiente etapa

de conversión de voltaje siempre deben tener en disponibilidad 48 Volts.

Esta etapa de control se subdivide en tres partes esenciales, las cuales se ilustran en la

figura 4.6.

Sección de lectura y acondicionamiento de señal.

En esta sección se encuentra involucrada toda la circuitería necesaria para poder tomar

lectura del voltaje de salida del convertidor CD-CD elevador, procesar la lectura tomada

para que posteriormente esta señal sea tomada por la etapa de control. Esto se muestra en la

figura 4.2 en el bloque llamado “Lectura y Acondicionamiento de señal”.

Sección del controlador.

En esta sección se encuentra ubicado el controlador que mediante la señal tomada a la

salida del convertidor y una señal de referencia generará la señal que disparará la

compuerta del mosfet para mantener a la salida del convertidor una tensión regulada de 48

Volts. Esto se ilustra en la figura 4.2 en el bloque denominado “Controlador”.

Sección de disparo de compuerta.

Es esta sección aparece el diseño que permite que la compuerta del mosfet reciba el disparo

proveniente de la seccion del controlador, en la figura 4.2 en el bloque “Disparo de

compuerta” aparecen los dispositivos utilizdos.


66

Figura 4.6 Diagrama de la Etapa de Control 1.

4.6.1 Lectura y Acondicionamiento de Señal

En esta sección del control se trata de sensar el voltaje que existe a la salida del convertidor,

para posteriormente acondicionar esta misma señal para que tenga un valor máximo de tres

volts cuando el voltaje a la salida del convertidor sea de 48 Volts.


67

Para esto se utiliza un sensor marca LEM modelo LVP-25P, este es un sensor aislado que

se fracciona en dos partes, la primera es la parte que estará conectada al circuito de potencia

para sensar el voltaje que este tiene a su salida, la segunda etapa consiste en la parte en

donde el sensor será alimentado con una fuente simétrica de ± 15 Volts y también aquí

mismo tiene la terminal en donde con ayuda de una resistencia estará el voltaje

proporcional medido. En donde la hoja de datos que proporciona el fabricante indica que a

este se le debe de acondicionar un arreglo de resistencias para que al momento que detecte

el voltaje máximo de medición, por dicha malla circulen 10 mA como corriente máxima.

Figura 4.7 Sensor LV25-P.

Entendiendo que el sensor de voltaje toma esta lectura por medio de corrientes que fluyan a

través de él y además la medición la entrega de la misma forma, es decir en forma de

corriente.

Considerando que el valor resistivo que existe entre las terminales del sensor es de

aproximadamente 220 Ω y que el voltaje a la salida del convertidor tiene un valor de 48 V,

se hace los siguientes cálculos partiendo de la ley de ohm.


68

Dado que el arreglo resistivo que se debe de formar a la salida del convertidor tomando en

cuenta el valor del sensor debe de ser 4.8 KΩ, entonces se calcula el valor de resistencia

restante que debe anexarse a la malla en donde estará ubicado el sensor.

Este arreglo resistivo se obtuvo colocando en serie resistores como se muestra:

Figura 4.8 Arreglo Resistivo para el Sensor.

La segunda fracción del sensor tiene sus entradas de alimentación y la salida en donde

entregará el valor de una corriente que mediante una resistencia de 100 Ω entregará un

valor de voltaje de 2.4 Volts al momento en que la malla donde se encuentra el sensor sea

alimentada con 48 Volts; el fabricante asegura que la respuesta del sensor es de manera

lineal y de gran precisión. Por lo que se entiende que si el sensor detecta 5 mA fluyendo en


69

la malla, en la parte en donde este entregará la medición habrá una corriente que al fluir por

la resistencia de 100 Ω, entre las terminales de esta habrá una caída de voltaje de 1.2 V.

Tomando como parámetro el valor máximo de voltaje en la señal de medición que es de

2.4 Volts, con ayuda de amplificadores operacionales este valor de señal será

acondicionado para que cuando el sensor detecte 50 V a la salida del convertidor, a la salida

del acondicionamiento de señal se encuentren 3 V.

Para esto se utilizaran dos amplificadores operacionales en configuración inversora [24].

Figura 4.9 Amplificador Operacional en Configuración Inversora.

La función de transferencia en esta configuración es:

Donde Vout, es el voltaje a la salida del arreglo inversor y Vin es el voltaje de entrada. El

signo menos indica únicamente que la señal será invertida.

Entonces si se tiene un voltaje de entrada con valor de 2.4 Volts y un voltaje de salida de

3.0 Volts, se procede a obtener el valor del factor que será necesario obtener mediante el

cociente de los valores de resistencias.


70

Proponiendo un valor de Rf = 10 KΩ

Para obtener un arreglo resistivo con valor de 8 KΩ, se construirá un arreglo serie con dos

resistores:

Los valores de los resistores son de 6.8 KΩ y de 1.2 KΩ.


71

Dado que esta señal necesariamente tiene que ser positiva, esta señal entrara a otra etapa

con un amplificador operacional en configuración inversora.

El cociente debe de dar un valor unitario ya que lo único que se desea es invertir la señal

sin alterar su valor, solamente eliminar el signo negativo. Para el cociente dado por y

se da un valor de resistencia del mismo valor, este es de 10 KΩ. Teniendo un voltaje

negativo a la entrada.

De esta manera se tiene lista la etapa de acondicionamiento de señal que entrará a la etapa

de control.

El encapsulado que contiene estos amplificadores operacionales es el TL084, fabricado por

TEXAS INSTRUMENTS, las características relevantes de este amplificador operacional

son:

Baja potencia de consumo.

Baja distorsión de la señal generada por armónicos.

Protección contra corto circuito en las salidas.


72

4.6.2 Controlador

En la revisión bibliográfica se aconsejaba la utilización de una retroalimentación negativa

al sistema que fuese implementada de forma analógica debido a las ventajas obtenidas. Se

encontró un controlador marca TEXAS INSTRUMENTS modelo UC3524.

Figura 4.10 Diagrama Interno del Controlador UC3524.

Este controlador cumple con cada etapa mostrada en la referencia bibliográfica, ya que

cuenta con todas las etapas necesarias para procesar la señal proveniente del sensor.

A continuación se describe el funcionamiento de cada terminal del circuito integrado:

Terminal 1: en esta terminal entra la señal que proviene del sensor previamente

acondicionada.

Terminal 2: aquí es necesario tener un voltaje de referencia de tres volts, ya que esto

establece que el voltaje que el control tendrá que mantener a la salida del convertidor es de

48 V, ya que ese es el nivel de referencia con el que la señal proveniente del sensor hará la

comparación para que a su salida se tenga un nivel de voltaje como referencia. Para tener


73

una referencia fija se empleo un divisor de voltaje, alimentado por 5 V que se obtienen de

la terminal 16.

Para esto se aplica un divisor de voltaje:

Figura 4.11 Malla con Dos Resistores para Aplicar el Divisor de Tensión.

Por la expresión de divisor de voltaje se tiene que:

Si se quiere un voltaje de 3 Volts en la resistencia 2 y se propone para esta misma

resistencia un valor de 12 KΩ.

El valor del resistor 1 estará formado por una arreglo serie con una resistencia de 6.8 KΩ y

otra de 1.2 KΩ.


74

Terminales 6 y 7 va colocado un arreglo RC el cual dará la frecuencia de conmutación del

convertidor que es de 10 KHz. Además de la señal diente de sierra que será comparada con

la señal generada por la comparación entre la señal de referencia y la señal proveniente del

sensor.

Estos valores se obtienen de la fórmula de diseño que brinda el fabricante.

La frecuencia está dada por:

Donde:

La frecuencia f está dada en KHz.

El valor de resistencia en KΩ.

El valor de capacitancia en µF.

Se propuso un valor de 6.8 nF:

El arreglo resistivo queda formado como se muestra en la figura 4.12.


75

Figura 4.12 Arreglo Resistivo para R=17.35 Ω.

Terminal 8: conexión a potencial cero.

Terminal 9: aquí se compensa el valor resultante entre la señal diente de sierra y la señal

resultante de la comparación entre la referencia y la señal proveniente del sensor, dando así

un valor máximo de nivel de voltaje.

Terminal 10: en estado bajo permite el funcionamiento del controlador, en alto detiene las

funciones del mismo.

Terminal 11 Y 14: emisores de transistores de salida cortocircuitados, parte de la etapa de

generación de pwm. A su salida un resistor de 1 KΩ a potencial cero, ya que en los

emisores será la salida de la señal pwm.

Terminal 12 y 13: colectores de transistores de la salida de la etapa pwm, deben de estar

cortocircuitados, alimentados con una fuente externa de 5 V.

Terminal 15: alimentación del circuito Vcc = 15 Volts.

Terminal 16: salida de voltaje de 5 Volts.

De esta manera el convertidor CD-CD elevador mantendrá regulados 48 V pese a

variaciones en la entrada y en la carga.

Los pulsos de salida del controlador que tienen una amplitud de 5 Volts son enviados a un

buffer, el cual mandará el pulso con la corriente necesaria para activar al optoacoplador que

aislará la etapa de control con la etapa de potencia. El buffer empleado es un circuito

integrado por TEXAS INSTRUMENTS modelo SN74LS240, cuya característica

importante además de proporcionar la corriente necesaria para la activación del fotodiodo

del optoacoplador es que su velocidad en cambios de alto a bajo es muy superior a la


76

frecuencia de trabajo del convertidor, lo que garantiza que la señal de disparo de compuerta

será enviada de manera correcta.

Figura 4.13 Circuito Integrado SN74LS240.

El optoacoplador empleado para aislar la etapa de control de la etapa de potencia es el

circuito integrado HP2531 cuyo fabricante es la empresa Hewlett-Packard. El fotodiodo

tiene un valor de corriente de adelanto típica de 16 mA que le serán entregados por el

buffer, esta corriente es la corriente necesaria para que el optoacoplador sea activado. Para

limitar la corriente del buffer que será suministrada al fotodiodo se colocará un resistor. De

la hoja de datos, el valor del voltaje de salida en alto típico del buffer es de 3.5 Volts. Por

ley de ohm:

Dado este resultado se decidió colocar un resistor con valor de 220 Ω.


77

4.6.3 Disparo de Compuerta

El optoacoplador a utilizar tiene dos grandes ventajas para esta aplicación, la primera es

que tiene tiempos de conmutación de muy alta velocidad, sobrepasando por mucho la

frecuencia de conmutación del convertidor CD-CD. La segunda ventaja es que su salida es

compatible con circuitos con tecnología cmos, esto es de gran utilidad ya que el circuito

controlador de compuerta pertenece a tal tecnología. La salida del optoacoplador es en

colector abierto lo que indica que habrá que colocar una resistencia entre el voltaje de

alimentación hasta la salida en colector abierto. El valor de resistencia colocado fue de 10

KΩ, ya que el voltaje de alimentación de la etapa de potencia es de 15 Volts, valor

suficiente para excitar la terminal de entrada del controlador de compuerta.

Figura 4.14 Optoacoplador de alta velocidad HP2531.

Por último, el circuito integrado que se utilizará como disparador de compuerta del mosfet,

es el circuito integrado modelo IR2117 que es fabricado por la empresa

INTERNATIONAL RECTIFIER.

Figura 4.15 Circuito Controlador de Disparo de Compuerta IR2117.


78

Terminal 1: entrada positiva de alimentación.

Terminal 2: entrada del pulso de activación de compuerta.

Terminal 3: entrada de alimentación para el común de la fuente.

Terminal 6: referencia de disparo en la compuerta.

Terminal 7: salida de disparo de compuerta.

Terminal 8: entrada de alimentación para señal de disparo de compuerta.

La máxima corriente que este circuito integrado proporciona a su salida es de 0.2 A por lo

que es necesario limitarla a tal valor. Se tiene un voltaje de alimentación de 15 Volts. Por

ley de ohm:

Para obtener el valor de esta resistencia se hizo un arreglo paralelo con dos resistores de

150 Ω.

Como el mosfet tiene implícita una capacitancia parasita entre drenaje y compuerta, esta

capacitancia conocida como capacitancia de Miller puede ocasionar que se sume este

voltaje que se descarga por RG con el que voltaje del pulso de disparo, provocando un sobre

voltaje en la compuerta que queme al mosfet. Es por esto que se coloca un diodo de

recuperación rápida en antiparalelo a la resistencia de compuerta.


79

Finalmente si el regulador de la fuente de alimentación llega a entrar en falla y su voltaje a

su salida se incrementa, esto se refleja en el pulso de disparo en la compuerta lo que

también puede causar un sobre voltaje y destruir al mosfet, es por esto que entre compuerta

y referencia se conecta un diodo Zener de 15 Volts para protección.

El diagrama de la sección de disparo queda como lo muestra la figura 4.16, con una

resistencia equivalente de 75 Ω con un diodo en antiparalelo y un diodo zener entre

compuerta y común para evitar sobretensiones en dicha terminal del mosfet.

Figura 4.16 Diseño para el disparo correcto de compuerta.

Enseguida se muestra el diagrama del control empleado para el convertidor CD-CD

elevador.

4.7 DISEÑO DE LA ETAPA DE CONTROL PARA EL CONVERTIDOR CD-CD

REDUCTOR (ETAPA DE CONTROL 2)

Como lo indica el diagrama a bloques del sistema, a la salida del convertidor elevador se

encontrará conectado el convertidor reductor, este deberá de variar el voltaje a su salida

para controlar la velocidad de giro del motor. Para esto es necesario diseñar un controlador

en el que exista una variación de un ancho de pulso, para que por consiguiente esta señal

sea aplicada al mosfet del convertidor reductor. Esta parte del sistema se compone de dos

subdivisiones, la etapa de generación de pwm (modulación por ancho de pulso) y la etapa

de disparo.


80

Sección de generación de pwm

En esta sección se generan los pulsos de onda cuadrada que podrán variar en ciclo útil para

accionar al motor de CD. En el bloque denominado “Generación de pwm” de la figura 4.17

se muestra el diseño empleado para lograr los pulsos variables.

Sección de disparo

Es esta sección aparece el diseño que permite que la compuerta del mosfet reciba el

disparo proveniente de la seccion de generación de pwm, en la figura 4.17 en el bloque

“Disparo de compuerta” aparecen los dispositivos utilizdos.

Figura 4.17 Diagrama de la Etapa de Control 2.


81

4.7.1 Generación de PWM

En esta etapa básicamente se generara una señal cuadrada con frecuencia de 10 KHz, la

cual cambiará el valor de su ciclo útil al variar un componente externo. El pulso cambiará

desde un 3% de ciclo útil hasta un 98% de ciclo útil.

Primeramente es utilizado un circuito integrado LM555 fabricado por NATIONAL

SEMICONDUCTOR, este estará conectado en configuración astable y generará el valor de

la frecuencia de conmutación del convertidor.

Figura 4.18 Circuito Integrado LM555 en Configuración Astable.

Las expresiones de diseño que proporciona el fabricante para esta configuración son:

Donde son los valores de los componentes que se indican en la figura anterior,

es el valor de la frecuencia.

Si y


82

El valor de se forma por el arreglo serie de dos resistores de 2.2 KΩ y mediante un

arreglo paralelo con dos resistores de 10 KΩ.

Se volverá a utilizar el mismo circuito integrado pero ahora en configuración monoestable,

esto para variar el ancho de pulso desde el mínimo al máximo valor y viceversa a partir de

la manipulación física de un resistor variable.

Para interconectar los dos circuitos integrados es necesario colocar una red de disparo que

recomienda el fabricante [25].

Figura 4.19 Circuito Integrado LM555 en Configuración Monoestable.

El elemento externo para manipular el ancho de pulso de la señal es un resistor variable.


83

De la hoja de datos del circuito integrado se obtienen las expresiones de diseño:

Donde es el ancho del ciclo útil de la señal en segundos, y valores de dispositivos

para el diseño.

Se propone un valor de

Se colocará una resistencia de 1 KΩ en serie con el potenciómetro a manera de limitar la

corriente cuando este mantenga un valor de resistencia bajo y no se dañe el circuito

integrado, para el arreglo de capacitores se tiene un arreglo en paralelo:


84

El arreglo de estos capacitores dado que tiene valores de capacitancias pequeñas se hizo

colocando en paralelo un capacitor de 0.82 nF y otro de 0.068 nF.

La salida de este último circuito integrado es conectada con la entrada del optoacoplador,

colocando entre estas terminales una resistencia con valor de 1 KΩ para imitar la corriente

que el fotodiodo necesita para ser activado.

4.7.2 Disparo de Compuerta

Esta etapa consta del mismo arreglo de circuitos integrados colocados en la etapa de

disparo para el convertidor de subida.

4.8 PROTECCIÓN 1

Esta protección se coloca debido a una sobre corriente que pueda dañar al circuito en la

entrada de alimentación del supercapacitor. Dado que la corriente pico máxima que puede

tener el inductor que se encuentra a la entrada es aproximadamente 16 Amperes, se decidió

colocar un fusible de protección a 18 A con comportamiento de velocidad lento para evitar

que este se abra en los transitorios de encendido o apagado.

85

CAPÍTULO V

RESULTADOS EXPERIMENTALES

5.1 RESULTADOS EXPERIMENTALES DEL CONVERTIDOR CD-CD ELEVADOR

El comportamiento adecuado del convertidor CD-CD elevador es una de las partes con

mayor relevancia de este sistema ya que es la fuente de alimentación de Voltaje de

corriente directa fija que el motor tendra a su entrada ya que el supercapacitor tiende a

descargarse continuamente y el convertidor CD-CD debe de compensar el nivel de tensión

faltante para que siempre a su salida dentro del rango permitido de descarga del

supercapacitor exista un voltaje constante a su salida. La siguiente figura muestra el nivel

de tensión a la salida del convertidor CD-CD elevador donde el convertidor de bajada esta

entregando el máximo nivel de tensión permitido mientras que el nivel de tensión en las

terminales del supercapacitor es el valor nominal máximo permitido. La prueba se realizó

para verificar que el convertidor CD-CD elevador regulara el nivel de tensión a su salida de

manera correcta mediante el buen desempeño realizado por la etapa de control 1. A lo que

resultó un nivel de tensión regulado correctamente al valor deseado en el diseño.

Figura 5.1 Tensión de Salida del Convertidor CD-CD Elevador con Tensión de Entrada Igual a 48 Volts y Tensión en la carga de 45 V.


86

La siguiente prueba realizada al convertidor CD-CD elevador consistió en permitir que el

supercapacitor se descargara a un nivel de tensión eléctrica de 36 Volts mientras que el

motor se encontraba alimentado con 45 Volts. Esta prueba consistió en una verificación

más para corroborar si el control aplicado al convertidor CD-CD elevador trabajaba de

manera correcta al ya estar trabajando de manera significativa dentro del sistema ya que a

su salida este debía de compensar 12 Volts para mantener el nivel de tensión a su salida de

48 Volts. Aquí el convertidor trabajó acorde a las expectativas en base al diseño por lo que

se registro esta prueba como exitosa. La forma de onda del nivel de tensión del Voltaje de

salida del convertidor CD-CD para este caso se muestra en la figura 5.2.


Capítulo 5: RESULTADOS EXPERIMENTALES

87

Finalmente al realizar la prueba para el peor de los casos del funcionamiento del

convertidor CD-CD elevador para esta aplicación, esta consistió en descargar el

supercapacitor hasta un nivel de tensión de 24 Volts, que es el valor mínimo que el

fabricante permite para que este dispositivo no sufra daños significantes en su tiempo de

vida útil, mientras que el nivel de tensión eléctrica en el motor CD serie se mantenía a 45

Volts. El nivel de tensión eléctrica a la salida del convertidor CD-CD elevador se mantuvo

en un valor adecuado con respecto al deseado por medio del diseño. En la figura 5.3 se

muestra la forma de onda de tensión a la salida del convertidor CD-CD elevador para este

caso:



88

A continuación se muestran los resultados obtenidos en la implementación del convertidor

CD-CD. Partiendo del comportamiento del convertidor CD-CD elevador, donde se

registraron valores de tensión eléctrica a su salida en relación con el voltaje aplicado a la

carga. Los resultados son:

Tabla 5.1 Niveles de Tensión a la Salida del Convertidor CD-CD Elevador

Tensión de Entrada

Voltaje de Salida en

Convertidor Elevador

cuando en las

Terminales del Motor

el Nivel de Tensión

es Igual a 10 Volts



cuando en las


el Nivel de Tensión es

Igual a 24 Volts



cuando en las


el Nivel de Tensión es

Igual a 45 Volts

48 V 48.30 V 48.30 V 48.30 V

44 V 48.20 V 48.20 V 48.20 V

40 V 48.20 V 48.20 V 48.10 V

36 V 48.15 V 48.10 V 48.00 V

32 V 48.10 V 48.00 V 47.80 V

28 V 48.10 V 47.90 V 47.70 V

24 V 48.00 V 47.80 V 47.60 V

Conforme a los resultados obtenidos se verifica que el convertidor CD-CD elevador es un

convertidor eficiente, ya que la caída de tensión entre sus terminales es inferior al 1 % de su

valor nominal.

5.2 RESULTADOS EXPERIMENTALES DEL DEL CONVERTIDOR CD-CD

Acontinuación se demuestra el comportamiento del convertidor CD-CD en ambas etapas

con distintos niveles de tensión en las terminales del motor de CD serie. Posteriormente se

realizaron las mediciones necesarias para obtener el nivel de tensión y la intensidad de

corriente entregados por el supercapacitor y en nivel de tensión eléctrica y la intensidad de

corriente eléctrica existentes en la carga. Los resultados se obtuvieron en tres partes en base

a los niveles de tensión en la carga.


89

El primer caso en esta prueba se efectúa teniendo como nivel de tensión en el

supercapacitor de 48 Volts con un flujo de corriente de entrada de 0.75 Amperes, ajustando

por medio del control que proporciona la etapa del convertidor CD-CD reductor a un nivel

de tensión eléctrica de salida de 10 Volts, midiendo un flujo de corriente de consumo en el

motor de CD serie de 3.39 Amperes. Se logra observar al sistema trabajando

completamente, donde el convertidor elevador funciona como una fuente constante de

Voltaje y el convertidor reductor es un controlador de accionamiento del motor. Las formas

de onda obtenidas entre las terminales del motor se muestran a continuación en la figura

5.4, observando que la corriente de salida se mantiene en modo de conducción continua,

verificando lo expresado en el diseño.

Figura 5.4 Tensión de Entrada = 48 V, Intensidad de Entrada = 0.75 A.


90

En la segunda parte de la prueba para este sistema, se obtienen las mediciones de tensión e

intensidad de corriente a la entrada cuando se ajusta a las terminales del motor un nivel de

tensión eléctrica de 10 Volts. La corriente circulante en la carga del convertidor es de 3.39

Amperes, ya que aunque el nivel a la entrada del supercapacitor se encuentre disminuyendo

debido a la descarga continua, el convertidor CD-CD elevador mantiene una amplitud de 48

Volts para que el convertidor reductor con base al control que tiene logre permitir un ajuste

de tensión media a un valor deseado.

En la figura 5.5 se muestra las formas de onda obtenidas al realizar el procedimiento antes

mencionado.



91

En la tercer parte de la prueba, el nivel de tensión del supercapacitor es de 24 Volts, la

condición de trabajo de mayor exigencia para el convertidor elevador ya que aquí tiene que

compensar un nivel de tensión igual al de la fuente de alimentación, es decir, tiene que

elevar en un factor de dos el voltaje de la entrada, esto debe de ser compensado en

corriente, por lo tanto, la corriente de entrada es de 1.53 Amperes, mientras que a la salida

del convertidor se tiene un nivel de tensión de 10 Volts y 3.39 Amperes fluyendo a través

de la carga.

En la figura 5.56 se muestra las formas de onda de tensión y de intensidad de corriente

antes descritas.


De las lecturas descritas en la prueba con la tensión en el motor igual a 10 Volts se registra

la siguiente tabla de tensiones de entrada y salida y corrientes de entrada y salida.


92

Tabla 5.2 Tensiones e Intensidades de Entrada y Salida con Tensión de Salida igual a 10 V.

Tensión de Entrada

Intensidad de Entrada Tensión de Salida Intensidad de Salida

48 V 0.75 A 10.00 V 3.39 A

36 V 1.01 A 10.00 V 3.39 A

24 V 1.53 A 10.00 V 3.39 A

Se tomaron las siguientes lecturas realizando un proceso similar al de la prueba anterior con

la diferencia de que el motor se alimenta con una tensión de 24 Volts; teniendo al

supercapacitor un nivel de tensión de 48 Volts circulando a través de la entrada del

convertidor CD-CD una corriente con valor de 2.02 Amperes, a la salida se aparece un

nivel de tensión fijo a 24 Volts circulando por el motor una corriente con valor de 4.03

Amperes, las formas de onda de tensión y corriente que fueron tomadas en el motor se

ilustran en la figura 5.7.

Teniendo un nivel de tensión de entrada de 36 Volts y ajustando el voltaje en el motor a 24

Volts se tiene que a la entrada del convertidor circula una intensidad de corriente con valor

de 2.75 Amperes mientras que a través del motor la corriente que fluye es de 4.03 Amperes.

Las formas de onda de intensidad y tensión aparecen en la figura 5.8.

Finalmente, cuando el supercapacitor tiene un nivel de tensión entre sus terminales de 24

Volts, manteniendo la carga alimentada con una tensión fija del mismo valor que la entrada

se tiene que la corriente de entrada del convertidor es de 4.27 Amperes, por tanto en la

salida, la corriente del motor sigue siendo la misma que en los casos anteriores, teniendo el

valor de 4.03 Amperes. La formas de onda de tensión y corriente que se ven reflejadas en la

carga se muestran en la figura 5.9.


93




94


En base a las lecturas de los valores propuestos y resultantes cuando la tensión entre las

terminales del motor es de 24 Volts, se tiene la tabla de resultados 5.3 en donde se enlistan

los valores de tensión e intensidad de corriente obtenidos.


Tensión de Entrada


48 V 2.02 A 24.00 V 4.03 A

36 V 2.75 A 24.00 V 4.03 A

24 V 4.27 A 24.00 V 4.03 A


95

La última prueba realizada al convertidor CD-CD consiste en obtener las formas de onda de

tensión e intensidad de corriente en el motor en tres casos distintos, cuando a la salida del

convertidor se fija un nivel de Voltaje de 45 Volts alimentando al motor.

En el primer caso se tiene al supercapacitor alimentando al convertidor CD-CD con un

nivel de tensión de 48 Volts, la corriente de entrada en este caso es de 3.99 Amperes y a la

salida del convertidor se tiene que fluye una corriente con valor de 4.20 Amperes. Las

formas de onda tanto de tensión como de corriente se pueden observar en la figura 5.10,

dado que como el nivel de tensión es casi constante la corriente tiende a tener el mismo

comportamiento. En el segundo caso se tiene que el capacitor disminuye su nivel de tensión

a 36 Volts, el convertidor CD-CD demanda una corriente de 5.85 Amperes y el motor la

corriente continua teniendo un valor de 4.20 Amperes, esto se ilustra en la figura 5.11. En

el tercer caso se muestra el convertidor trabajando para el caso extremo en esta aplicación,

que es cuando el supercapacitor se encuentra cargado a un nivel de tensión de la mitad de

su valor nominal y el voltaje en la carga es de 45 Volts. El valor de la intensidad de

corriente de entrada del convertidor CD-CD es de 9.20 Amperes, mientras que la corriente

que circula a través de la carga es de 4.20 Amperes. Las formas de onda de salida para el

peor de los casos aparecen en la figura 5.12.



96




97

Con los valores de corrientes y voltajes de entrada y salida tomados en la prueba anterior se

obtuvo la tabla 5.4.


Tensión de Entrada


48 V 3.99 A 45.00 V 4.20 A

36 V 5.85 A 45.00 V 4.20 A

24 V 9.20 A 45.00 V 4.20 A

5.3 EFICIENCIA DEL CONVERTIDOR CD-CD

Tomando los valores de la tabla 5.2 y aplicando la fórmula de potencia y las ecuaciones

2.66 y 2.77 se tienen los siguientes resultados mostrados en la tabla 5.5.

Tabla 5.5 Potencias de Entrada y Salida con Tensión de Salida igual a 10 V.

Potencia de

Entrada

Potencia de

Salida

Potencia

Perdida

Potencia

Perdida

Eficiencia

36.00 W 33.90 W 2.1 W 6.19 % 94.16 %

36.36 W 33.90 W 2.46 W 7.25 % 93.23 %

36.72 W 33.90 W 2.83 W 8.34 % 92.32%

Se observa que la eficiencia del convertidor es alta al estar accionando al motor a una

tensión de 10 Volts, por consiguiente la potencia perdida en los componentes del

convertidor es baja, resultando que este es un buen convertidor CD-CD para el rango de

voltajes de entrada de 24 a 48 Volts cuando el motor es accionado con un nivel de tensión

de 0 a 10 Volts. En la figura 5.13 se grafica la potencia perdida contra la eficiencia con base

en los datos de la tabla 5.5.


98

Figura 5.13 Curva de Potencia vs Eficiencia con Datos de la Tabla 5.5.

Con base en los valores de la tabla 5.3 y aplicando la fórmula de potencia y las ecuaciones

2.66 y 2.77 se tienen los siguientes resultados mostrados en la tabla 5.6.


Potencia de

Entrada

Potencia de

Salida

Potencia

Perdida

Potencia

Perdida

Eficiencia

96.96 W 96.72 W 0.24 W 0.24 % 99.75 %

99.00 W 96.72 W 2.28 W 2.35 % 97.69 %

102.48 W 96.72 W 5.76 W 5.95 % 94.37 %

La eficiencia del convertidor es alta al estar accionando al motor a una tensión de 24 Volts,

por ende la potencia perdida en los componentes del convertidor es baja, resultando que

este es un buen convertidor CD-CD para el rango de voltajes de entrada de 24 a 48 Volts


99

cuando el motor es accionado con un nivel de tensión de 0 a 24 Volts. En la figura 5.14 se

grafica la potencia perdida contra la eficiencia con base en los datos de la tabla 5.6.


De la tabla 5.4 y aplicando la fórmula de potencia y las ecuaciones 2.66 y 2.77 se tienen los

siguientes resultados mostrados en la tabla 5.7.


Potencia de

Entrada

Potencia de

Salida

Potencia

Perdida

Potencia

Perdida

Eficiencia

191.52 W 189.00 W 2.52 W 1.3 % 98.68 %

210.60 W 189.00 W 21.60 W 11.42 % 89.74 %

220.80 W 189.00 W 31.80 W 16.82 % 85.59 %


100

De la tabla 5.7, la eficiencia del convertidor es alta al estar accionando al motor a una

tensión de 24 Volts, la potencia perdida en los componentes del convertidor es

relativamente baja, resultando que este es un buen convertidor CD-CD para el rango de

voltajes de entrada de 24 a 48 Volts cuando el motor es accionado con un nivel de tensión

de 0 a 45 Volts. En la figura 5.15 se grafica la potencia perdida contra la eficiencia con base

en los datos de la tabla antes citada.


Al aumentar el flujo de corrientes altas en el convertidor, la potencia perdida tiende a

incrementarse, esto se debe a que los dispositivos semiconductores al estar conmutando a

frecuencias elevadas, tienden a disipar mayor potencia. De aquí que los valores de potencia

para cuando a la entrada del convertidor fluyen más de nueve amperes es cuando se

presenta mayor pérdida de potencia.

Finalmente se tuvo una eficiencia mínima mayor al 85.59% lo que hace a este convertidor

un sistema adecuado para alimentar la carga a partir del supercapacitor, ya que un

convertidor CD-CD se considera útil para aplicaciones cuando su eficiencia es superior al

85%.

101

CAPÍTULO VI

CONCLUSIONES GENERALES

6.1 CONCLUSIONES

Se consiguió diseñar y construir un convertidor CD-CD que se encuentra formado por la

conexión en cascada de un convertidor CD-CD elevador y un convertidor CD-CD reductor,

donde a la entrada se encuentra conectado un supercapacitor y a la salida un motor de CD

en serie que es accionado por el convertidor CD-CD.

Se diseñó e implementó el convertidor CD-CD elevador que controla a su salida un nivel de

tensión de 48 Volts, logrando esto por medio del uso de un control analógico por modo de

voltaje, siendo este probado bajo todos los requerimientos posibles en la aplicación,

resultando un control eficiente y recomendable para ser usado en convertidores de potencia.

Se diseñó y construyó un convertidor CD-CD reductor que logró el accionamiento del

motor de CD que fue la carga que se consideró, siendo esto posible mediante la técnica de

PWM generada por el diseño de un controlador el cual permite a un usuario variar el ancho

del pulso y con esto accionar a la carga por medio de la variación de voltaje de corriente

directa. Esta técnica de control desarrollada es recomendable para ser aplicada para

controlar un motor de corriente directa cualquiera y no solamente un motor de tracción.

Contribuciones del trabajo:

Por medio del uso de convertidores CD-CD es posible la utilización de

supercapacitores como fuente de alimentación tanto en sistemas que

demandan potencia en pequeños lapsos de tiempo como es el caso de

tracción eléctrica, como en cualquier otro sistema que requiera funcionar

con energía eléctrica.


102

Este trabajo puede ser aplicado total o parcialmente en el uso de energías

limpias, ya que la generación de energía eléctrica proveniente de estas

fuentes alternativas es variable y necesita acondicionamiento previo. Siendo

en este caso la aplicación de la electrónica de potencia una medida de gran

impacto en contra de la contaminación ambiental.

Con este sistema alimentado con supercapacitor se logra accionar cualquier

motor sea de CD o de CA, para estos últimos, únicamente cambiando el

convertidor CD-CD reductor por un convertidor CD-CA.

6.2 TRABAJOS FUTUROS

Con base en este trabajo, queda abierto para un futuro los siguientes temas de desarrollo:

Estudiar el ruido generado por los inductores del convertidor CD-CD

elevador. Debido a las frecuencias de conmutación y a las corrientes que

fluyen por los inductores es generado ruido que puede causar interferencias

en equipos cercanos. Hay que buscar la manera de evitar que este ruido

afecte a equipos electrónicos que están localizados cerca del convertidor.

Desarrollar nuevas técnicas de control tanto para el convertidor elevador

como para el convertidor reductor.

Aprovechar la regeneración de corriente ocasionada por frenar un motor con

carga para recargar al supercapacitor.

103

REFERENCIAS

[1] Calderón - López G., Forsyth A., High – Power Dual – Interleaved ZVS Boost

Converter With Interphase Transformer for Electrical Vehicles. IEEE Publicaction

10.1109/APEC.2009.4802797, 2009.

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www.eere.energy.gov/vehiclesandfuels/pdfs/basics/jtb_electric_vehicle.pdf

[3] BI W., Wang J. Implementation of power system control board test system of the pure

electric vehicle. IEEE Publication 10.1109/ICACTE.2010.5579398, 2010.

[4] Penina, N., Turygin, Y., Racek V., Comparative Analysis of Different Types of Hybrid

Electric Vehicles. IEEE Publication 978-1-4244-7962-7, 2010.

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electric vehicle on smart grid distribution system. IEEE Publication

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[6] Fuel Cell Vehicles; Disponible en línea en el portal:

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[7] Lambert S., Pickeret W. Holden J., Wuhua L., Xiangining H. Overview of

supercapacitor voltaje equialisation circuits for an electric vehicle chargin application.

IEEE Publication 10.1109/VPPC.2010.5729226, 2010.

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sons,1st. Edition, USA, 2008, p.779.

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Edition, USA, 2009, p.841.

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Prentice Hall, 3ª Edición, México, 2004, p. 878.

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104

[12] Guerrero M., Romero E., Barrero F., Milanés M., González E.

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[13] Serway R., Madison J., Physics for Scientists and Engineers, Thomsom Brooks/Cole,

6th

Edition, USA, 2004, p. 1283.

[14] Halper M., Ellenbogen J., Supercapacitors: A Brief Overview, Mitre, 2006.

[15] Larminie J., Lowry J., Electric Vehicle Technology Explained, John Wiley and

sons,1st. Edition, UK, 2003, p.296.

[16] Crane L., Selecting the Best Inductor for your DC-DC Converter, Coilcraft 469-3,

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[17] Erickson R., Maksimovic D., Fundamentals of Power Electronics, Kluwer Academic

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Edition, USA, 2004, p. 871.

[18] Scoggins P., A Guide to Design Copper Foil Inductors, Datatronics, 2007. [19] Forsyth A., High Frequency Power Electronic Circuits and Systems, The University of Nottingham, Power Quality and EMC, 2001. [20] Rashid M., Power Electronics Handbook, Academic Press, 1

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p. 883.

[21] Mohan N., Undeland T., Robbins W., Power Electronics: Converters, Applications

and Design Vol 1, John Wiley and sons, 3rd

Edition, USA, 2003, P. 802.

[22] Chapman, S., Máquinas Eléctricas, Mc Graw Hill, 4ta Edición, México, 2004, p.746 [23] Ultracapacitors; Disponible en línea en el portal:

http://www.maxwell.com/products/ultracapacitors/product.aspx?PID=48V-MODULES

[24] Coughlin R., Driscoll F., Amplificadores Operacionales y Circuitos Integrados

Lineales, Prentice Hall Hispanoamenricana S. A., 4ta Edición, México, 1993, p. 538

[25] AND8011-D; Disponible en línea en el portal:

http://www.onsemi.com/pub_link/Collateral/AND8011-D.PDF

http://www.maxwell.com/products/ultracapacitors/product.aspx?PID=48V-MODULES

http://www.onsemi.com/pub_link/Collateral/AND8011-D.PDF

105

ANEXO I


CONVERTIDOR CD-CD ELEVADOR CON CARGA RESISTIVA.

Se tiene que el voltaje en un inductor está dado por la derivada de la corriente que circula

por dicho elemento con respecto al tiempo.

Cuando el interruptor está cerrado:

Cuando el interruptor se encuentra abierto:

En la siguiente figura se muestra la onda de corriente, aquí se denota que la pendiente

multiplicada por el subintervalo es igual al incremento de la corriente Δ .

106

Esto se traduce también como:

Entonces la expresión de variación de corriente queda:

O también:

De la gráfica se tiene que la corriente máxima que puede circular a través del inductor es la

suma de la corriente media en la bobina más el incremento de corriente Δ .

Del mismo modo, para la corriente mínima que circulará por medio del inductor se tiene:

107

Teniendo en cuenta que la corriente mínima necesaria para que el convertidor CD-CD se

encuentre trabajando en modo de conducción continua es cero, el inductor tiene que estar

diseñado de tal modo que cumpla dicha condición de que el pico de corriente mínima sea

en el peor de los casos cero.

El valor de inductancia mínima que necesita un convertidor CD-CD elevador para trabajar

en modo de conducción continua se obtiene mediante la siguiente expresión:

Como ton=DT

Si T=

Para calcular el valor del rizo del voltaje a la salida del convertidor cd-cd elevador, se parte

de la ecuación diferencial para encontrar la corriente en el capacitor.

Primeramente, se considera que el interruptor esta en modo de conducción.

108

Cuando el interruptor está apagado, se tiene la siguiente expresión:

De estas expresiones se obtiene la gráfica de tiempo del voltaje en la salida.

Durante el primer subintervalo de tiempo se tiene que el doble de la variación del voltaje es

igual a la pendiente por la longitud de tiempo de dicho intervalo. Como la pendiente es

negativa, la variación de voltaje es decreciente, a esta se le coloca un signo menos.

De la expresión anterior se despeja C para tener la expresión para el cálculo del capacitor

del convertidor CD-CD elevador.

109

Donde ΔV es el valor pico del rizo de voltaje.

110

ANEXO 2


CONVERTIDOR CD-CD REDUCTOR CON CARGA RESISTIVA.

En la siguiente gráfica se muestra la forma de onda de corriente en un inductor, en donde el

valor de cada una de sus pendientes está dado partiendo de la sumatoria total de voltajes en

el convertidor y tomando en cuenta la ecuación diferencial del voltaje en un inductor.

Cuando el interruptor está activado:

Cuando el interruptor está apagado:

111

Tomando la expresión que se obtiene cuando el interruptor se mantiene cerrado, así como

el tiempo en el que sucede dicho acontecimiento se tiene que esto es igual a dos veces la

variación de la corriente. La expresión es:

Por lo tanto:

Se conoce que:

Quedando así:

La corriente máxima es la suma de la corriente media en el inductor más el valor pico de

la variación de corriente Δ .

112

La corriente mínima está dada por la corriente promedio en el inductor menos el valor

del pico de la variación de corriente Δ .

El valor de la corriente mínima necesaria para que el inductor este trabajando en

régimen permanente, es cero. De aquí que:

Entonces, el valor de inductancia requerida para que se cumpla la condición anteriormente

mencionada es:

Si

Para mostrar el comportamiento de la corriente y el voltaje del capacitor se tiene la

siguiente grafica.

113

Por definición se conoce que:

La carga variará de igual forma que cambia el voltaje desde el pico mínimo hasta el pico

máximo, por lo que queda:

A su vez está formando el área de un triángulo que está delimitada en la base por

y tiene como parámetro de altura a .

Igualando los términos:

Sustituyendo el valor de para este convertidor se tiene:

114

Finalmente para encontrar la relación del rizo de la señal de voltaje:

La capacitancia requerida para el convertidor CD-CD reductor es:

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