herramientas de simulación para electrónica de potencia

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


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


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

ti(5)

off is T if ; 1

on is T if ; 1

11 t

t

11 t

t

1

1

tidvvL

tidvLti

Lof

LfL

(6)


+-

+- 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


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


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)


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


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)


Snubber

El diagrama de control en PSB es construido con las herramientas clásicas de Simulink.



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.



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


* 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


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


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



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


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.



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


Desempeño dinámico de la Corriente del inductor (iL )y del voltaje de salida (vo ).

Resultados de las Simulaciones


Voltaje de entrada (vs ) y corriente de entrada (is )

Resultados de las Simulaciones


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


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


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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