Download Diseño de un convertidor DC/AC para equipos

Nota técnica
Diseño de un convertidor DC/AC
para equipos portátiles
Por Víctor J. Toranzos, Carlos de J. Aquino, Manuel Cáceres, Felipe Marder y Oscar G. Lombardero
Departamento de Ingeniería, FACENA UNNE, Corrientes Argentina
Resumen
automóvil, lo que permite mante-
ticos, artefactos de iluminación,
La necesidad de contar con
ner la carga de la batería interna.
equipos, herramientas eléctricas,
una fuente de alimentación inin-
Se han realizado diversos ensayos
etc.) son diseñados para recibir
terrumpida para un respirador
sobre el prototipo a los efectos
alimentación desde la red de co-
artificial de un paciente que sufre
de caracterizar su funcionamien-
rriente alterna en baja tensión
parálisis medular espinal inspiró
to mediante curvas de eficiencia
(220 V, 50 Hz). La falta eventual
al grupo que conforma el LABIER
y regulación con distintas cargas
de suministro o la necesidad de
(Laboratorio de Ingeniería en Re-
resistivas e inductivas, obtenién-
uso de un equipo dado fuera del
habilitación) el diseño e imple-
dose una eficiencia mayor al 80%
alcance de la red requiere de la
mentación de un dispositivo que
en todos los casos. Este equipo
generación de energía eléctrica
verifique las especificaciones de
se haya actualmente en fase de
en 220 V de corriente alterna a
alimentación requeridas por un
experimentación, y a la fecha, ha
partir de la quema de combusti-
respirador comercial con una au-
demostrado que cumple con los
ble en un motogenerador, o de
tonomía mínima de una hora. Te-
requerimientos de confiabilidad y
la conversión estática de energía
niendo como fuente primaria una
autonomía necesarios para equi-
eléctrica desde un acumulador. Si
batería de 12 V 7 Ah, se obtuvo
pos médicos portátiles.
el sistema debe entrar en servicio
de forma instantánea, la segunda
una tensión de salida de 220 V 50
Hz a través de un transformador
con núcleo de hierro de baja potencia. El equipo cuenta con un
Palabras clave
Convertidor DC/AC, respirador,
control, fuente de alimentación
los mecanismos empleados para
su implementación permiten una
rápida transferencia de la carga a
módulo PWM basado en el TL494
como oscilador de 50 Hz, y los dri-
opción resulta adecuada ya que
Introducción
la fuente auxiliar. Este concepto
vers correspondientes, y puede
La mayoría de los sistemas
es el que rige a los sistemas de ali-
estar conectado tanto a la red do-
que requieren del suministro de
mentación ininterrumpida (UPS)
miciliaria como a la batería de un
energía eléctrica (electrodomés-
empleados comúnmente como
34
Ingeniería Eléctrica • Abril 2013
respaldo energético para equipos
una amplia variedad de equipos
Buscando solucionar el pro-
de informática. Los convertidores
comerciales, existen aplicaciones
blema planteado cubriendo los
estáticos a batería resultan úti-
específicas en las que los conver-
requerimientos citados impues-
les también cuando se requiere
tidores que se encuentran dispo-
tos, se diseñó un inversor de
alimentación de 220 V en un ve-
nibles en el mercado no logran
simple conversión para reducir
hículo y la potencia no supera
cubrir todas las necesidades. Un
la complejidad del equipo y por
por lo general los 500 W. Estos
ejemplo de esto es el caso en
tanto asegurar su fiabilidad. Por
convertidores reciben el nombre
que se requiere alimentar equi-
otro lado, se fijó la tensión de
de “inversores” u “onduladores” y
pos de soporte de vida para uso
entrada del inversor en 12 V que
cumplen la función de convertir
ambulatorio (como es el caso de
permite su uso con la batería de
las tensiones de continua dispo-
respiradores). Este suministro de
un automóvil y de manera autó-
nibles en un acumulador o bate-
energía debe provenir de diferen-
noma con un acumulador de plo-
ría, a tensiones de alterna, que
tes fuentes de energía (red domi-
mo-gel. La figura 1 presenta un
pueden ser modificadas en mag-
ciliaria, batería de un automóvil,
diagrama de bloques del sistema
nitud empleando transformado-
etc.), considerando también la po-
de gestión de energía.
res convencionales.
sibilidad de poseer alimentación
ininterumpida en caso de falla en
En este artículo se presenta
Por otra parte, las dimensiones
la fuente convencional. Por otro
el desarrollo del equipo citado,
y peso del transformador a em-
lado, este sistema de gestión de
así como los ensayos de carac-
plear dependen de la potencia y
energía, debe ser portable y de
terización de las etapas que lo
la frecuencia a la cual se trabaje.
alta confiabilidad.
componen.
Si se utilizan frecuencias mayo-
Desarrollo del prototipo
res a la de la red domiciliaria (50
Hz), el transformador a emplear
El diseño del inversor se realizó
es notablemente menor, ventaja
en torno al circuito integrado (CI)
que acarrea como contrapartida
TL494 de uso común en fuentes
un aumento en la complejidad de
conmutadas para computadoras
las diferentes etapas del inversor,
personales. Este CI, cuyo esquema
dado que una vez elevada la ten-
se muestra en la figura 2, cons-
sión debe rectificarse y ondularse
ta de un oscilador RC que sumi-
nuevamente en 50 Hz para su utili-
nistra una salida triangular a un
zación señal de alimentación.
comparador que conforma una
señal de modulación de ancho
Motivación del estudio
Si bien hace tiempo que el desarrollo de inversores es tema de
estudio, y es posible encontrar
de pulso (PWM). La presencia del
Fig. 1: Diagrama de bloques
del sistema de gestión de energía
desarrollado
biestable funcionando en modo
toggle permite habilitar alternativamente las salidas del CI a través
Ingeniería Eléctrica • Abril 2013
35
Nota técnica
de dos compuertas lógicas AND
provee para ello dos salidas con
veces. Para lograr una regulación
a las que llega simultáneamente
transistores bipolares de colector
adecuada de la tensión de salida,
la señal de PWM. La presencia del
y emisor abierto, lo que permite
se implementó una realimentación
biestable hace que la frecuencia
una gran flexibilidad en la mane-
aislada desde los 220 V mediante
del oscilador deba ser del doble
ra de excitar la etapa de potencia.
un optoacoplador con salida a tran-
que la frecuencia de trabajo fT, la
La etapa de potencia del inver-
sistor que modifica el PWM mante-
que puede calcularse de manera
sor desarrollado está constituida
niendo la tensión de salida dentro
aproximada como fT = 0,6/RC.
por dos transistores MOSFET mo-
de los límites aceptados (+/- 10 %).
Este CI fue concebido para su
delo IRF1405 que actúan en confi-
La figura 3a muestra el diagrama
empleo en sistemas de conver-
guración push-pull sobre un trans-
circuital de la etapa de potencia de-
sión cuyas frecuencias de con-
formador elevador con punto
sarrollada, y la figura 3b, el diagra-
mutación oscilan alrededor de
medio. Para excitarlos, se configu-
ma de la etapa de control, ambas
las decenas de kHz, sin embargo,
raron las salidas del TL494 como
desarrolladas siguiendo los linea-
cuando los requerimientos del
seguidores de emisor a los efectos
mientos antes nombrados.
proyecto lo permiten, es posible
de proporcionar la polarización
emplearlo en bajas frecuencias
y fase correcta requeridas para la
(decenas de Hz). Por otra parte,
conversión. La frecuencia de ope-
el TL494 fue diseñado para exci-
ración se fijó en 50 Hz, empleando
tar transistores bipolares, pero
los valores comerciales de R = 120
puede conmutar transistores de
K y C = 0,1uF.
efecto campo tipo MOSFET si se
El transformador se dimensionó
realizan pequeñas modificacio-
para una carga de 200 W con una
nes en el circuito. Este dispositivo
relación de transformación de 27
Fig. 3a: Circuito desarrollado
para la etapa de potencia
Fig. 2: Esquema de circuito interno del CI TL494
36
Ingeniería Eléctrica • Abril 2013
Fig. 3b: Diagrama de la etapa
de control
Caracterización del equipo
eléctricos de funcionamiento. Para
parte, se empleó un osciloscopio
Eficiencia y regulación de tensión
ello se realizaron ensayos con di-
de almacenamiento digital para
Un parámetro característico de
ferentes transformadores y para
adquirir las formas de onda de la
este tipo de sistemas de suminis-
distintas condiciones de carga a
señal de tensión de salida para
tro de energía es la eficiencia de
los efectos de adquirir las curvas de
cada condición de carga.
conversión que viene dada por la
eficiencia y regulación como fun-
ecuación (1). La misma depende
ción de la potencia de salida.
Resultados
de las condiciones de carga a la
En principio, se desarrolló un
El prototipo se ensayó con di-
que está sometido el sistema y,
banco de ensayos que permite,
ferentes transformadores y bajo
por tanto, puede ser expresada
por un lado, suministrar energía
distintos estados de carga, obte-
como función de la potencia de
a la etapa de potencia desde una
niéndose la característica de rendi-
salida y de las pérdidas provistas
fuente estable y variar la carga que
miento y regulación del conjunto
por el sistema de conversión.
se conecta a la salida del sistema y
(figuras 4 y 5). La curva de regu-
por otro lado, medir la potencia de
lación se muestra en la figura 6,
entrada al convertidor en corrien-
donde puede notarse que la regu-
te continua y la potencia aparente
lación no se ve mayormente afec-
Donde “Po” es la potencia su-
entregada a la carga en corriente
tada por el transformador dado
ministrada por el convertidor a la
alternada. Tanto para la medición
que la misma depende principal-
carga y “Pi”, potencia entregada al
de la corriente de entrada en conti-
mente de la realimentación provis-
convertidor por el acumulador.
nua y de salida en alterna así como
ta por el optoacoplador.
h = Po/Pi = Po/(Po + pérdidas) (1)
La curva de variación de efi-
para las mediciones de tensión de
La eficiencia, figura 5, sin em-
ciencia como función de la poten-
entrada en continua y de salida
bargo, depende fuertemente del
cia de salida puede ser aproxima-
en alterna se emplearon multíme-
transformador utilizado, variando
da utilizando valores adquiridos
tros comerciales que proveen una
para nuestro caso entre el 60 y
experimentalmente.
exactitud media de 0,01%. Por otra
el 80%. Si bien el equipo se dise-
Por otra parte, la curva de regulación de tensión en una fuente
establece la variación en la tensión de salida de la misma como
función de la carga que se le conecta. Es una manera de caracterizar la capacidad de estabilizar que
posee una fuente.
Metodología empleada
El equipo desarrollado fue caracterizado a partir de parámetros
Fig. 4: Curvas de eficiencia para tres transformadores diferentes
Ingeniería Eléctrica • Abril 2013
37
Nota técnica
ñó para una potencia máxima de
200 W, se lo ensayó con cargas
mayores a los 300 W (un 30% de
sobrecarga) que se soportaron sin
inconvenientes.
La forma de onda es la de una
cuasi senoide con un ancho de
pulso variable dependiendo de la
carga, como puede observarse en
la figura 6.
Conclusiones
Fig. 5: Curvas de regulación para tres transformadores diferentes
Los ensayos de eficiencia y regulación del inversor desarrollado
mostraron un excelente desempeño para el uso propuesto, que
junto a la simplicidad del circuito
y consecuente fiabilidad del conjunto hacen de este equipo un
complemento adecuado para un
equipo de soporte de vida. Por supuesto, su uso no está limitado a
esta aplicación y puede utilizarse
en otras donde se requiera 220 V
de corriente alterna y potencias
Fig. 6: Forma de onda generada para dos estados de carga diferentes
reducidas. Para potencias mayores, el tamaño y peso del transformador limitan su practicidad.
El prototipo se diseño para ali-
Figura 7
mentar un respirador pediátrico
con una potencia máxima de 200 W
y una media de 60 W. Se incorporó al
equipo una batería de 12 V 7 Ah que
de acuerdo a la eficiencia obtenida
debería brindar una autonomía de
una hora, suficiente para alimentar
el equipo cuando se encuentra fuera del domicilio o de un automóvil.
38
Ingeniería Eléctrica • Abril 2013
En la figura 7 podemos apreciar una fotografía de la UPS junto al respirador comercial para el
cual se lo diseñó.
Agradecimientos
A los padres del niño con parálisis medular
espinal, por la confianza puesta de manifiesto al
permitirnos desarrollar un dispositivo tecnológico que sirva de ayuda a un ser humano, aunque
sea de manera indirecta. Este trabajo fue financiado a través de la Secretaría General de Ciencia
y Técnica de la Universidad Nacional del Nordeste, dentro del proyecto PI 17/F009, titulado “Desarrollo de sistemas de rehabilitación y ayuda
para personas con discapacidad”.
1] Referencias
2] [1] MOTOROLA Switchmode Pulse Width Modulation
Control Circuit TL494 Datasheet. Motorola Inc. pp. 1-12. 1996.
3] [2] Texas Instruments Power Supply Control Products. Texas
Instruments Inc. USA. pp. 281-289. 1999.
4] [3] IEEE 602-1996 Electric Systems in Health Care Facilities.
Institute of Electrical and Electronics Engineers Inc. pp. 189-193.
1996.
5] [4] Ramshaw, R Electrónica de Potencia. Marcombo, Barcelona, España. pp. 231-246. 1977
6] [5] RCA Silicon Power Circuits Manual. Technical Series SP50. USA. pp. 147-186. 1967.
7] [6] Z. Giovani, C. Venini, A. Ferro. “New Control Techniques
for UPS Dynamic Efficiency Optimisation”. Pag 1-5. Telecomunications Energy Conference, INTELEC, 2009.
8] [7] K. Hhkachi, M. Sakane, T. Matsui, “Cost-Effective Practical Developments of High-Performance and Multi-Functional
UPS with New System Configurations and Their Specific Control
Implementations”, 26th Annual IEEE Power Electronics Specialists
Conference. Vol 1. Pag 480-405. 1995.
Contacto
Carlos Aquino
aquinocarlos@gmail.com
Ingeniería Eléctrica • Abril 2013
39