Herramientas de simulación para electrónica de potencia
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Herramientas de simulación para electrónica de potencia
Aplicaciones Industriales de Convertidores Estáticos
Departamento de Electrónica
JRP/2004
Aplicaciones Industriales de Convertidores Estáticos 2004
Contenidos
El Rectificador Boost
Simuladores:• Matlab-Simulink: Un resolvedor de ecuaciones• Matlab Power System Blockset (PSB)• PSPICE: Un resolvedor general de circuitos• Simplorer: Un resolvedor de circuitos de
electrónica de potencia
Resultados de la Simulación
Comentarios y Conclusiones
Aplicaciones Industriales de Convertidores Estáticos 2004
v f v o
iL
T 1
iD
ici r+
-
+
-
i s+
-
v s
L
C R
Si T1 está encendido(ON):
Entonces,iL aumenta.
v f v o
iL
T 1
iD
ici r+
-
+
-
i s+
-
v s
L
C R
Entonces iL baja.
Si T1 está apagado (OFF):
v f v o
iL
T 1
iD
ici r+
-
+
-
i s+
-
v s
L
C R
El rectificador Boost
Aplicaciones Industriales de Convertidores Estáticos 2004
ic
v f v o
iL
T 1
iD
i r+
-
+
-
i s+
-
v s
L
CR
Ecuaciones del Rectificador Boost
tVabsvabsv sf senˆ(1)
)( 11
1tvdi
Ctv o
t
t co (2)
tititi rDc (3)
R
tvti or (4)
off is T if ;on is T if ;0
1
1
LD i
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off is T if ; 1
on is T if ; 1
11 t
t
11 t
t
1
1
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(6)
Aplicaciones Industriales de Convertidores Estáticos 2004
+-
+- PI
vo
v f
iL
vo ref T 1
v
iL ref
El sistema de Control
Control PI “lento” para el lazo de voltaje
.
Control ON-OFF “rápido”para el lazo de corriente
Un multiplicador
Aplicaciones Industriales de Convertidores Estáticos 2004
Características:
• Representación gráfica de las ecuaciones físicas y eléctricas que rigen el sistema de potencia
• Sistema muy popular de simulación
• Potente herramienta de cálculo
Matlab-Simulink
Aplicaciones Industriales de Convertidores Estáticos 2004
Matlab-Simulink
k
donde k=0 si T1 está en ON, o k=1 si T1 está en OFF.
1 t
t1 1 tidkvv
Lti LofL
kiti LD ??
off is T if ;on is T if ;0
1
1
LD i
ti
off is T if ; 1
on is T if ; 1
11 t
t
11 t
t
1
1
tidvvL
tidvLti
Lof
LfL
(5)
(6)
Aplicaciones Industriales de Convertidores Estáticos 2004
Ventajas:
Las herramientas de dibujo de Matlab son variadas y fáciles de usar.
Simulink tiene una amplia librería de control la cual permite una fácil implementación de cualquier algoritmo de control.
Desventajas:No es posible incorporar en forma directa modelos reales de semiconductores.La complejidad del diagrama de bloques usado para simular el circuito aumenta drásticamente con el número de semiconductores.
k
Matlab-Simulink
Aplicaciones Industriales de Convertidores Estáticos 2004
Características:
• Sistema de bloques basado en Matlab Simulink, que contiene bloques predefinidos que representan elementos electricos (Mosfet, GTO’s, resistencias etc....)
• Sistema relativamente nuevo
• Mantiene las potencialidades de Matlab Simulink
Matlab Power Sistem Blockset (PSB)
Aplicaciones Industriales de Convertidores Estáticos 2004
Snubber
El diagrama de control en PSB es construido con las herramientas clásicas de Simulink.
Matlab Power Sistem Blockset (PSB)
Aplicaciones Industriales de Convertidores Estáticos 2004
Ventajas:Es mucho más simple “escribir” el circuito de potencia que en Matlab-Simulink.
Desventajas:La ubicación y el valor exacto de los snubbers puede ser un aspecto bastante poco claro y no menor de la simulación.
Puede utilizar todas las ventajas de Matlab-Simulink.Contiene bloques especiales para motores AC/DC.
Puede presentar problemas de convergencia y resultados contradictorios.
Matlab Power Sistem Blockset (PSB)
Aplicaciones Industriales de Convertidores Estáticos 2004
PSPICE: Un resolvedor general de circuitos
Características:
• Programa dedicado a la simulación de circuitos eléctricos
• Las versiones más nuevas cuentan con un ambiente gráfico, que genera el código a simular
• Posee múltiples herramientas de análisis de los datos y algoritmos de búsqueda de parámetros óptimos
• Herramienta bastante utilizada, y por ende con bastante documentación disponible
Aplicaciones Industriales de Convertidores Estáticos 2004
* BOOST RECTIFIER
VSIN 1 2 SIN(0 311 50)DA 1 3 DIODEDB 2 3 DIODEDC 0 1 DIODEDD 0 2 DIODEL1 3 4 6MD1 4 5 DIODECOUT 5 0 1MSCARGA 5 0 41 0 SOUTSACT 4 0 74 0 SINT
.MODEL DIODE D
.MODEL SOUT VSWITCH (RON=50 ROFF=100)
.MODEL SINT VSWITCH
**LOAD SELECTORVSELCAR 41 0 PWL(0 0V 0.15 0V 0.151 1V 100 1V)RSELCAR 41 0 1MEG
** Controllers *** VOLTAGE:* FILTER:EFILT 51 0 VALUE={V(5)}RFILT 51 52 1KCFILT 52 0 4.5ULFILT 52 53 4.5RFILOUT 53 0 1MEG
* PI:EERRV 61 0 VALUE={380-V(53)}R1 61 62 1KRAMP1 62 0 2MEGRKP 62 63 243CKI 63 64 82.354URINAM1 64 65 75EAMP1 65 0 VALUE={-100000*V(62)}RINV1 64 66 1KRAMP2 66 0 2MEGRINV2 66 67 1KRINAM2 67 68 75EAMP2 68 0 VALUE={-100000*V(66)}ROUT 67 0 10K
* CURRENT:* CURRENT REFERENCEEREFC 71 0 VALUE={V(67)*V(3)/311}RREFC 71 0 1MEG
*Bang-Bang CONTROLLER:EERRC 72 0 VALUE={V(71)-I(L1)}R1H 72 73 1KC1 73 0 0.01N IC=5VR2H 73 74 4KEHY 74 0 TABLE {V(73)}=(-1,-5)(-0.05,-5)(0.05,5)(1,5)
* INITIAL CONDITIONS.IC V(73)=5
** Analisis **
.OPTIONS RELTOL=0.0017 VNTOL=10U ABSTOL=1M
.TRAN 10U 0.3 UIC
.PROBE V(5) V(3) I(L1)
.END
PSPICE: Un resolvedor general de circuitos
S act
+
-
+
-
v sin
L 1
C outR
D 1
VSIN 1 2 SIN(0 311 50)
12
3 4 5
0
DA 1 3 DIODEDB 2 3 DIODEDC 0 1 DIODEDD 0 2 DIODEL1 3 4 6MD1 4 5 DIODECOUT 5 0 1M SCARGA 5 0 41 0 SOUTSACT 4 0 74 0 SINT
Aplicaciones Industriales de Convertidores Estáticos 2004
Ventajas:Representación muy simple de cualquier circuito eléctrico, en particular circuitos de electrónica de potencia.
Desventajas:Una amplia librería de elementos comerciales de electrónica.
Falta de funciones y elementos de control, los cuales deben ser implementados con elementos eléctricos.El seteo de los parámetros de simulación puede ser crítico, y no es fácil de hacer, para evitar problemas de convergencia numérica.No permite la visualización de resultados durante la simulación.
* BOOST RECTIFIER
VSIN 1 2 SIN(0 311 50)DA 1 3 DIODEDB 2 3 DIODEDC 0 1 DIODEDD 0 2 DIODEL1 3 4 6MD1 4 5 DIODECOUT 5 0 1MSCARGA 5 0 41 0 SOUTSACT 4 0 74 0 SINT
.MODEL DIODE D
.MODEL SOUT VSWITCH (RON=50 ROFF=100)
.MODEL SINT VSWITCH
**LOAD SELECTORVSELCAR 41 0 PWL(0 0V 0.15 0V 0.151 1V 100 1V)RSELCAR 41 0 1MEG
** Controllers *** VOLTAGE:* FILTER:EFILT 51 0 VALUE={V(5)}RFILT 51 52 1KCFILT 52 0 4.5ULFILT 52 53 4.5RFILOUT 53 0 1MEG
* PI:EERRV 61 0 VALUE={380-V(53)}R1 61 62 1KRAMP1 62 0 2MEGRKP 62 63 243CKI 63 64 82.354URINAM1 64 65 75EAMP1 65 0 VALUE={-100000*V(62)}RINV1 64 66 1KRAMP2 66 0 2MEGRINV2 66 67 1KRINAM2 67 68 75EAMP2 68 0 VALUE={-100000*V(66)}ROUT 67 0 10K
* CURRENT:* CURRENT REFERENCEEREFC 71 0 VALUE={V(67)*V(3)/311}RREFC 71 0 1MEG
*Bang-Bang CONTROLLER:EERRC 72 0 VALUE={V(71)-I(L1)}R1H 72 73 1KC1 73 0 0.01N IC=5VR2H 73 74 4KEHY 74 0 TABLE {V(73)}=(-1,-5)(-0.05,-5)(0.05,5)(1,5)
* INITIAL CONDITIONS.IC V(73)=5
** Analisis **
.OPTIONS RELTOL=0.0017 VNTOL=10U ABSTOL=1M
.TRAN 10U 0.3 UIC
.PROBE V(5) V(3) I(L1)
.END
PSPICE: Un resolvedor general de circuitos
Aplicaciones Industriales de Convertidores Estáticos 2004
Simplorer: Un resolvedor de circuitos de electrónica de potencia
Características:
• Programa dedicado a la simulación de circuitos de electrónica de potencia
• Posee un entorno gráfico basado en bloques que representan elementos eléctricos
• No requiere de gran especialización
Aplicaciones Industriales de Convertidores Estáticos 2004
Simplorer: Un resolvedor de circuitos de electrónica de potencia
Aplicaciones Industriales de Convertidores Estáticos 2004
Ventajas:
Algoritmos de control muy estables.Fácil interacción entre los elementos eléctricos y el sistema de control.
Desventajas:Tratamiento de los datos y despliegue en pantalla potente y amistoso.
La implementación del sistema de control es menos flexible y amistoso que Matlab-Simulink.
Simplorer: Un resolvedor de circuitos de electrónica de potencia
Aplicaciones Industriales de Convertidores Estáticos 2004
ic
v f v o
iL
T 1
iD
ir+
-
+
-
is+
-
v s
L
CR
6 [mH]
1 [mF]220 [V]50 [Hz]
50-100 []
+-
+- PI
vo
v f
iL
vo ref T 1
v iL ref
1.2
Parámetros de la Simulación
Aplicaciones Industriales de Convertidores Estáticos 2004
Desempeño dinámico de la Corriente del inductor (iL )y del voltaje de salida (vo ).
Resultados de las Simulaciones
Aplicaciones Industriales de Convertidores Estáticos 2004
Voltaje de entrada (vs ) y corriente de entrada (is )
Resultados de las Simulaciones
Aplicaciones Industriales de Convertidores Estáticos 2004
Tiempo deSimulación.
Dificultadde uso
Elementosde Control
Simulink 10 [s] Alto Muy Bueno
PSB 293 [s] Medio Muy Bueno
PSPICE 104 [s] Medio Malo
Simplorer 53 [s] Bajo Bueno
Todas las pruebas se realizaron en un computador Pentium III 500 Mhz., 64 Mb.
Evaluación de los Simuladores
Aplicaciones Industriales de Convertidores Estáticos 2004
PSPICE pocas herramientas de control y usualmente presenta problemas numéricos.
El ambiente Matlab tiene las herramientas de control más poderosas.
Matlab-Simulink es el simulador más rápido, sin embargo requiere de un tiempo de análisis inicial, para obtener las ecuaciones del sistema y una correcta representación en diagrama de bloques.
Las características eléctricas de Simplorer potenciadas con las las herramien-tas de control de Matlab-Simulink son la mejor alternativa.
PSB tiene una buena interfaz gráfica pero resulta ser demasiado lento y “mañoso”.
Simplorer permite una fácil implementación con un buen desempeño.
Comentarios y Conclusiones
Aplicaciones Industriales de Convertidores Estáticos 2004
Condiciones de Simulación
Paso Variable Paso Variable/FijoPSB PSPICE Simulink Simplorer
Algoritmo Ode15s (stiff/NDF) Trapezoidal Ode5 (Dormand/Prince) Euler
Tolerancia Absoluta Auto. 310 310
Tolerancia Relativa 310 3105.1 Tam. Paso Max. 410 510 310
Tam. Paso Min. 510
JRP/2004
Gracias por su atención
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