control digital de fuentes de alimentación

109 Pages·2009·4.15 MB·Spanish

Universidad Aut(cid:243)noma de Madrid
Escuela politØcnica superior
Proyecto fin de carrera
CONTROL DIGITAL DE FUENTES
DE ALIMENTACI(cid:211)N
Ingenier(cid:237)a de Telecomunicaci(cid:243)n
Alejandro Garc(cid:237)a Tal(cid:243)n
Abril 2009

Resumen
Resumen
Para cumplir con las normativas de emisi(cid:243)n de arm(cid:243)nicos, tales como la EN61000-3-2,
en las fuentes de alimentaci(cid:243)n es necesario realizar correcci(cid:243)n del factor de potencia. La
implementaci(cid:243)n de la correcci(cid:243)n del factor de potencia ha sido tradicionalmente anal(cid:243)gica
e implica el diseæo de un lazo de tensi(cid:243)n y otro de corriente. En este proyecto se describe
un mØtodo para realizar un sistema de control de un convertidor elevador basado en un
dispositivo programable FPGA. El funcionamiento del sistema se basa en calcular los
valores del ciclo de trabajo con antelaci(cid:243)n e introducirlos en una memoria de la FPGA,
a partir de los cuales se genera la seæal modulada por ancho de pulso que se conecta con
el elemento conmutador del convertidor. De modo que una de las principales ventajas
de este sistema es que no se requiere ni medida ni lazo de corriente, ademÆs de que el
coste computacional es muy bajo. Para realizar las medidas de las tensiones de salida y
entrada se han diseæado e implementado conversores sigma-delta, que requieren pocos
componentes anal(cid:243)gicos externos, por lo que se pueden integrar con el sistema de control.
En este documento se analiza la tØcnica empleada y las ventajas y aspectos cr(cid:237)ticos que
este mØtodo presenta, a travØs de simulaciones y pruebas experimentales.
Abstract
In order to comply with the requirements of harmonics emissions standards, such as
EN16000-3-2, in power supplies, power factor correction is needed. The controllers imple-
mented for power factor correction have been typically analog, and imply the design of
both current and voltage loops. This project describes a method for power factor correc-
tion on a boost converter based on a programmable FPGA device. System operation is
based on calculating in advance the duty cycle values and storing them in a memory of
the FPGA, from which the pulse width modulation signal is generated, that is connected
with the boost switching device. Hence, one of the main advantages of this technique is
that neither current loop nor current measurement are required, and the computational
cost is very low. To measure the input and output voltages, sigma delta analog-to-digital
converters have been designed and implemented, which require few analog external com-
ponents, and can be easily integrated with the control system. This documents discusses
thistechniqueanditsadvantagesandcriticalissuesthroughsimulationsandexperimental
tests.
iii
Control digital de fuentes de Alimentaci(cid:243)n
iv
Agradecimientos
Quisiera agradecer este proyecto a mis padres y a mi hermana, por todo el apoyo y
motivaci(cid:243)n que me han dado a lo largo de los aæos de carrera, y por todo el amor y
dedicaci(cid:243)n que me han brindado siempre.
Muchas gracias a Noe por darme todo su cariæo y apoyo, por ayudarme en los malos
momentos, re(cid:237)r conmigo en los buenos, y por haber compartido conmigo los mejores aæos
de carrera y de mi vida.
Muchas gracias a mi tutor, `ngel, por toda la ayuda prestada, por estar siempre
disponible para resolver mis dudas, y por haber sido ademÆs de un buen tutor, un buen
amigo.
Quiero agradecer tambiØn a mis compaæeros de laboratorio, Alberto, David, Fernando,
Javier y Ricardo por su ayuda y por los buenos momentos que he pasado con ellos.
TambiØn quiero agradecer a Guillermo y a (cid:211)scar la ayuda que me han dado con la parte
mÆs hardware de este proyecto.
Y a los buenos compaæeros y amigos que he hecho durante la carrera, en especial a
HØctor, Isa, Jesœs Muæecas, Jesœs Zamarreæo, Sergio y V(cid:237)ctor, con los que he pasado
grandes momentos y gracias a ellos, estudiar durante tantos aæos ha sido mÆs sencillo.
v
Control digital de fuentes de Alimentaci(cid:243)n
vi
˝ndice general
˝ndice de (cid:28)guras x
1. Introducci(cid:243)n 1
1.1. Motivaci(cid:243)n del proyecto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.2. Objetivos y alcance del proyecto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
1.3. Organizaci(cid:243)n de la memoria . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
2. Estado de la TØcnica 3
2.1. TØcnicas de conversi(cid:243)n alterna continua . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
2.1.1. Topolog(cid:237)as de convertidores conmutados . . . . . . . . . . . . . . 4
2.2. Control y correcci(cid:243)n del factor de potencia . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
2.2.1. Correcci(cid:243)n de factor de potencia y control: doble lazo . . . . . . . 7
2.3. Sistemas embebidos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
2.3.1. Alternativas en la implementaci(cid:243)n de sistemas embebidos . . . . . 8
3. Conversor anal(cid:243)gico digital sigma-delta 11
3.1. Conversi(cid:243)n anal(cid:243)gica digital . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
3.2. Tasa de muestreo y aliasing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
3.3. Tipos de conversores anal(cid:243)gico digitales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
3.4. Modulaci(cid:243)n sigma delta . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
3.4.1. Ruido en conversores sigma delta . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
3.5. Diseæo del conversor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
3.5.1. Versi(cid:243)n bÆsica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
3.5.2. Versi(cid:243)n mejorada . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
3.6. Simulaciones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
3.7. Diseæo y construcci(cid:243)n del PCB del conversor . . . . . . . . . . . . . . . . 19
3.8. Resultados experimentales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
3.8.1. AnÆlisis paramØtrico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
vii
Control digital de fuentes de Alimentaci(cid:243)n
4. Etapa de potencia 25
4.1. Diseæo del convertidor utilizado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
4.1.1. CÆlculo de pØrdidas en semiconductores . . . . . . . . . . . . . . . 28
4.1.2. Diseæo y construcci(cid:243)n del PCB del convertidor elevador . . . . . . 29
5. Control de corriente: ciclo de trabajo precalculado 31
5.1. CÆlculo del ciclo de trabajo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
5.1.1. Modo de conducci(cid:243)n continuo y discontinuo . . . . . . . . . . . . 34
5.2. Simulaciones y anÆlisis paramØtrico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
5.2.1. Efecto de la cuanti(cid:28)caci(cid:243)n y limitaci(cid:243)n del ciclo de trabajo . . . . 35
5.2.2. Efecto de la potencia de salida . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
5.2.3. Efecto de la bobina . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
5.2.4. Efecto de la variaci(cid:243)n del condensador en la corriente de entrada . 37
5.3. Implementaci(cid:243)n del diseæo en VHDL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
5.3.1. Protecciones en el ciclo de trabajo . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
6. Sincronizaci(cid:243)n 43
6.1. Diseæo del mecanismo de sincronizaci(cid:243)n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
6.2. Implementaci(cid:243)n y simulaciones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
6.3. Resultados experimentales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
7. Sistema de control en lazo cerrado de tensi(cid:243)n 49
7.1. Introducci(cid:243)n a los sistemas de control: regulaci(cid:243)n automÆtica . . . . . . . 49
7.1.1. Fundamentos matemÆticos de los sistemas de control . . . . . . . 50
7.1.2. Ecuaci(cid:243)n en diferencias . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
7.1.3. Sistemas de control en lazo cerrado . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
7.1.4. Elementos de control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
7.2. Implementaci(cid:243)n digital de funciones de transferencia . . . . . . . . . . . 53
7.3. Diseæo e implementaci(cid:243)n del lazo de tensi(cid:243)n . . . . . . . . . . . . . . . . 54
8. Resultados experimentales. Sistema completo 59
8.1. Descripci(cid:243)n de las pruebas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
8.2. Sistema en lazo abierto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
8.3. Efecto de la sincronizaci(cid:243)n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
8.4. Sistema en lazo cerrado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
viii ˝NDICE GENERAL
Control digital de fuentes de Alimentaci(cid:243)n
9. Conclusiones y trabajo futuro 67
9.1. Conclusiones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
9.2. Trabajo futuro . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
9.3. Publicaciones derivadas de este proyecto . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
EsquemÆticos i
C(cid:243)digo VHDL. Sistema de control iii
C(cid:243)digo VHDL. Modelos digitales xix
Presupuesto xxiii
Pliego de condiciones xxv
˝NDICE GENERAL ix