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Propuesta para la ejecución de Trabajo de Grado en modalidad de Trabajo Investigativo.
TÍTULO: Diseño e Implementación de un convertidor DC/DC
elevador de alta eficiencia para una carga de 100
Vatios.
PROPONENTES:
Nelson Mauricio Ortiz Farfán
Código: 261135
E-mail: nmortizf@unal.edu.co
Oscar Fabián Posada Fandiño Código: 261139
E-mail: ofposadaf@unal.edu.co
DIRECTOR:
Ingeniero Giovanny Aldemar Baquero Rozo.
Docente Área de Electrónica de Potencia.
AREA:
Electrónica de Potencia.
1. FORMULACIÓN DEL PROBLEMA
El grupo de electrónica de potencia de la Universidad Nacional de Colombia estudia la
aplicación de fuentes de energía renovables que puedan servir de suministro a equipos en
zonas remotas o de difícil acceso en el país, ha propuesto como objetivo la creación de una
fuente de energía haciendo uso de paneles solares, la cual servirá como fuente alimentación
de una aplicación determinada o equipo en especial funcionando durante un tiempo mínimo
establecido según lo exijan las necesidades de tal aplicación.
A veces la fuente de alimentación de un equipo debe realizarse con una batería a causa de
que no se puede obtener tensión directa de la red, o incluso no es posible hacer una
rectificación de la misma debido a su disponibilidad. Por tal razón es necesario para el equipo
aprovechar la mayor cantidad de energía suministrada por tal batería para tener obtener un
óptimo funcionamiento. Sin embargo, la tensión suministrada por una batería no es regulada
completamente, y debido a que la batería necesita estar cargándose constantemente para
funcionar, genera variaciones en el sistema de alimentación del sistema que no pueden ser
útiles para el equipo porque pueden perjudicar su normal funcionamiento. Debido a esto es
necesario implementar una etapa de conversión DC\DC que no solo sea capaz de regular la
alimentación en el equipo, sino que pueda suministrar una tensión más alta de la que pueda
brindar una batería de uso comercial necesaria para el equipo, sin afectar significativamente
la eficiencia del sistema.
2. OBJETIVOS

General:
Diseñar y construir un convertidor elevador de potencia DC/DC que permita obtener
en una carga de 100 Vatios una eficiencia mínima de 90%.

Específicos:
-
-
Estudiar los diferentes tipos de convertidores elevadores DC\DC para diseñar y
simular modelos, que permitan realizar un análisis de alta eficiencia y regulación.
Estudiar, modelar y simular los diferentes efectos capacitivos, inductivos y demás
elementos parásitos presente en la operación de los elementos que constituyen
un convertidor que pueden afectar la eficiencia o funcionamiento del mismo.
Implementar en laboratorio los convertidores en base a los diseños, simulaciones
y resultados.
Medir los parámetros presentados del convertidor y observar la relación
eficiencia-frecuencia para determinar los valores límites de operación de sus
elementos y evaluar la importancia de la frecuencia en un diseño de alta
eficiencia.
3. ALCANCE DE LOS OBJETIVOS
Este proyecto busca realizar la implementación del convertidor de potencia DC/DC elevador
más apropiado para obtener una eficiencia mínima del 90% que pueda servir para alimentar
una carga de 100 Vatios. En este caso la entrada del convertidor será una tensión
aproximada de 24V (en un proyecto futuro una batería), donde el convertidor se debe
desconectar de esta fuente a partir de determinado valor de umbral según las necesidades de
la carga, para obtener a la salida una tensión de 48V regulada.
4.
MARCO TEORICO Y ANTECEDENTES.
En primer lugar es necesario describir cual es el sistema como tal que se desea implementar,
así pues los convertidores DC-DC son circuitos electrónicos de potencia que convierten una
tensión continua en otro nivel de tensión continua y, normalmente proporcionan una salida
regulada. Existen dos tipos de convertidores DC-DC, en primer lugar tenemos los convertidores
lineales, los cuales se usan para disminuir el valor de voltaje ajustando la corriente de base de
un transistor entre un valor de cero y el voltaje de la fuente; este tipo de elementos son de baja
eficiencia y lo hacen inservible en muchas operaciones de potencia. En segundo lugar tenemos
los convertidores conmutados básicos, los cuales son una alternativa mucho más eficiente y
basa su funcionamiento en un transistor que funciona como un interruptor electrónico al estar
completamente activado o completamente desactivado; este tipo de convertidores según su
configuración puede ejercer funciones de amplificación, reducción o sostenimiento del voltaje
de entrada. Por otro lado es importante mencionar un parámetro muy importante en la
evaluación del proyecto como es la eficiencia, la cual se define como la relación entre la
energía útil y la energía invertida en un proceso determinado. Un estándar de alta eficiencia es
necesario siempre, ya que los procesos refrigeración de los convertidores de potencia
ineficientes son difíciles y costosos. A continuación podemos observar el diagrama básico de
un convertidor DC-DC.
La eficiencia ideal en convertidor DC-DC es del 100%, en la práctica normalmente se obtienen
unas mediciones de eficiencia de 70% a 95%. Esto se consigue utilizando ciertos circuitos de
conmutación en cuyos elementos se busca disipar energía insignificante, mas sin embargo en
las transiciones de la conmutación, la tensión y la corriente del transistor son grandes
simultáneamente, en consecuencia, el transistor experimenta grandes pérdidas de potencia
instantánea, lo que conduce a la pérdida de potencia promedio de una forma significativa; por
lo tanto es necesario tener en cuenta que a pesar de que las transiciones de conmutación son
de corta duración las pérdidas de conmutación hacen que el rendimiento del convertidor
disminuya
a
medida
que
la
frecuencia
de
conmutación
se
incrementa.
Otro tema a considerar, es la fuente de alimentación, que para el caso es una batería eléctrica.
Básicamente, una batería eléctrica es un dispositivo que almacena energía eléctrica usando
procedimientos electroquímicos, devolviéndolos posteriormente en su totalidad, pudiendo
repetir este ciclo un determinado número de veces. Para funcionar es necesario que se le haya
suministrado electricidad mediante un procedimiento denominado carga, por lo que una batería
es considerada como un generador eléctrico secundario. Dependiendo del material interno que
usen para realizar las reacciones química, se pueden encontrar baterías de plomo, baterías
alcalinas (las cuales usan láminas de acero y ferroníquel), alcalina de manganeso, níquelcadmio, e ion litio, este ultimo de vil importancia, ya que son las más usadas en aplicaciones
portátiles como ordenadores entre otros equipos. Estas baterías no permiten un tipo de
descarga de la batería pues pueden sufrir un gran daño, por lo cual es necesario complementar
una circuitería que permita conocer el estado de la batería para evitar descarga total y
sobrecarga excesiva de la misma. Son sensibles a cambios de temperatura y pueden cargarse
sin necesidad de estar descargadas completamente sin afectar su vida útil, lo cual las hacen
muy llamativas en el mercado y la industria.
En los últimos años, una novedosa forma de cargar una batería usando energía renovable es
por medio de paneles solares. Los paneles solares son elementos que generan electricidad a
partir de la radiación de la energía solar. Estos paneles son generalmente construidos con
silicio, y dependiendo de la forma y pureza del mismo, se puede decir que el panel o las celdas
que componen al panel son monocristalinas, policristalinas o amorfas, prefiriendo las
monocristalinas debido a su número mayor de cristales, alcanzando un rendimiento del 20%
aunque incrementando su grosor, peso y costo de las mismas. El rango de voltajes y corrientes
que puede manejar un panel solar, puede depender de la carga en el circuito eléctrico que se
va a alimentar, y por otra parte del valor de la radiación en cada célula que compone el panel,
por lo que buscar el punto de máxima potencia es tratar de encontrar el punto donde se tenga
una alta tensión V con respecto a la corriente I, ó lo que también puede significar encontrar una
carga para determinado valor de radiación que entregue la máxima potencia eléctrica.
Una de las principales aplicaciones que tiene lo anteriormente mencionado, y el proyecto como
tal, son las fuentes utilizadas en los satélites y los vehículos espaciales; en donde la fuente
primaria de energía para un satélite la constituye un conjunto de celdas solares que son
colocadas en grupos para conformar lo que se conoce como panel solar. Los paneles, por sus
grandes dimensiones y su relativa fragilidad, deben permanecer plegados durante el despegue.
Su apertura añade otro factor de incertidumbre durante la puesta en órbita del satélite. Una vez
en posición y perfectamente orientados, empiezan a proporcionar energía a los sistemas, que
hasta entonces han debido usar baterías. Esta energía es administrada por un sistema especial
de alta eficiencia que regula el voltaje y la distribuye de forma adecuada al resto de
componentes. Cuanto mayor es el número de celdas agrupadas, más potencia puede
generarse. Aunque es verdad que éstas suelen deteriorarse con el paso del tiempo, ahora los
constructores de satélites colocan un número suplementario de ellas para garantizar que
proporcionarán suficiente electricidad, incluso, durante el último periodo de su vida útil.
Como un antecedente bastante significativo a la propuesta acá presentada tenemos una
propuesta de tesis acerca de un Convertidor CD-CD Reductor Resonante Alimentado con
Energía Solar, en el cual se hace un tratamiento especial en el aparte de eficiencia, en donde
se realiza una modificación sobre un convertidor ya implementado para disminuir esas perdidas
por conmutación utilizando la resonancia como técnica para lograr este objetivo. Como ya se
menciono anteriormente los dispositivos de conmutación absorben potencia cuando se
encienden o se apagan, si la transición se produce cuando tanto el voltaje como la corriente
son distintos a cero y a medida que aumenta la frecuencia de conmutación, la perdida de
potencia en el dispositivo aumenta, aun así las altas frecuencias son deseables debido a que
aportan a la disminución del tamaño y el peso del convertidor; sin embargo en los circuitos
resonantes la conmutación tiene lugar cuando el voltaje o la corriente son cero, evitando las
transiciones simultaneas de voltaje y corriente, y eliminando por tanto las pérdidas de
conmutación.
5. METODOLOGIA
Recopilación y lectura de documentación consecuente con los temas relacionados al área de
la electrónica de potencia, haciendo especial énfasis al tema de los convertidores de potencia
DC/DC y eficiencia, de los cuales se estudiaran las diferentes tipologías de circuito para su
selección y posible construcción la cual satisfaga de mejor manera. Adicionalmente se
estudiara con detenimiento el diseño y comportamiento de los elementos que conformaran
cada uno de los circuitos con el fin de examinar las posibles limitaciones que pueden
presentar durante el funcionamiento del circuito, de tal manera que se puedan buscar
posibles soluciones a las mismas en caso de que existan y poderlas documentar para
trabajos a posteriori.
Una vez seleccionadas las posibles tipologías de los diferentes convertidores DC/DC
estudiados que puedan dar solución al problema, se escogen las posibles soluciones y se
realiza la construcción y pruebas de las mismas, para que al final y de acuerdo a los
resultados obtenidos del laboratorio, se pueda escoger solo una que brinde mayor respaldo a
las necesidades planteadas y obtener conclusiones de los posibles resultados que sean útiles
en otras aplicaciones de este tipo de convertidores.
6. SECUENCIA Y TIPO DE ACTIVIDADES QUE SE DESARROLLARÁN:
1.
Revisión y documentación de los diferentes circuitos para la elevación de
voltaje.
2.
Documentación en relación a los análisis de frecuencia, control y eficiencia de
cada uno de los sistemas mencionados en el ítem anterior.
3.
Diseño y simulación de cada uno de las etapas de potencia y control, que han
sido preseleccionados para el desarrollo del convertidor, analizando
parámetros como el tamaño del sistema y eficiencia.
4.
Selección de los dos mejores convertidores que puedan satisfacer las
condiciones de diseño.
5.
Adquisición de los materiales necesarios para el desarrollo de los dos
convertidores.
6.
Implementación de los convertidores, incluyendo la elaboración de bobinas,
disipadores, controladores, y demás.
7.
Medición de eficiencia y análisis de los resultados obtenidos en las anteriores
implementaciones.
8.
Prototipado del modelo más optimo para la elevación de voltaje.
9.
Análisis de resultados obtenidos en la implementación
10.
Generación de la documentación y presentación final con resultados y
conclusiones.
7. CRONOGRAMA
Semana
1
Actividad
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
8. COSTO DEL PROYECTO
RECURSOS FÍSICOS
COSTO
Componentes Electrónicos
Uso de equipos de laboratorios ( por 4
meses)
Consumo de energía eléctrica de
dispositivos utilizados( por 4 meses)
$1.000.000
$2.500.000
X
$ 150.000
X
Total de recursos físicos
$ 3.650.000
RECURSOS HUMANOS
COSTO
Director de proyecto ($35.000 por hora,
2 horas a la semana, 16 semanas)
Asesor($25.000 por hora, 2 horas a la
semana, 16 semanas)
Estudiantes ( $12.000 por hora, 15 horas
a la semana, 16 semanas)
$1.120.000
RECURSOS
POR PARTE
DE LA
UNIVERSIDAD
X
$ 800.000
X
$ 2.880.000
X
Total de recursos humanos
RECURSOS
POR PARTE
DE LA
UNIVERSIDAD
$4.800.000
TOTAL: $ 8.450.000
9. EQUIPOS Y INSTALACIONES

Osciloscopio digital TEKTRONIX TDS1002

Multímetro FLUKE 177

3 Fuentes D.C.

2 Reóstatos.

Puente de Impedancias.

Sondas Atenuadas.

Software de Simulación Pspice versión Estudiantil.

Laboratorios de Electrónica Universidad Nacional de Colombia Edificio 411

Biblioteca Edificio de Ciencia y Tecnología Luis Carlos Sarmiento. (Consulta)
RECURSOS
POR PARTE
DE LOS
ESTUDIANTES
X
RECURSOS
POR PARTE
DE LOS
ESTUDIANTES
X
10. NUMERO DE ESTUDIANTES: __2___.
11. BIBLIOGRAFIA
[1]. Electrónica de Potencia. Hart, Daniel W. Madrid. Editorial Pearson/ Prentice Hall.
2001.
[2]. Electrónica de Potencia: Circuitos, dispositivos y aplicaciones. Tercera Edición.
México. Editorial Pearson. 2004
[3]. Celdas Solares para Uso Espacial: Optimización de Procesos y Caracterización. Lic.
Mariana J.L. Tamasi. Universidad Nacional de General San Martin. Tesis Doctoral.
República Argentina. 2003.
[4]. DC-DC Power Converters. Robert W.Erickson. Department of Electrical and Computer
Engineering. University of Colorado.
[5].Convertidor CD-CD Reductor Resonante Alimentado con Energia Solar. Osward
Jiménez. Tesis Profesional. Universida de las Américas Puebla.
RESULTADO DE LA EVALUACION DEL TEMA DE TESIS
DATOS GENERALES:
TITULO:
NOMBRES:
Diseño e Implementación de un convertidor DC/DC elevador de alta eficiencia para
una carga de 100 Vatios.
Oscar Fabián Posada Fandiño
Nelson Mauricio Ortiz Farfán
DIRECTOR:
Código: 261139
Código: 261135
Ingeniero Giovanny Aldemar Baquero Rozo
RESULTADOS:
APROBADO
RECHAZADO
APLAZADO
OBSERVACIONES:
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PRESUPUESTO:
$8.450.000
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NOMBRE Y FIRMA DEL EVALUADOR.