Scholarly article on topic 'Extensión del Rango de Operación con Conmutación Suave de un Convertidor CC-CC Bidireccional de Tres Puertos'

Extensión del Rango de Operación con Conmutación Suave de un Convertidor CC-CC Bidireccional de Tres Puertos Academic research paper on "Educational sciences"

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{"Electrónica de Potencia" / "Convertidores y Accionamientos Eléctricos" / "Sistemas Eléctricos y Electrónicos de Potencia" / "Vehículos Híbridos" / "Power Electronics" / "Power Converters and Drives" / "Smart Grid" / "Electronic and Electrical Power Systems" / "Hybrid Vehicles"}

Abstract of research paper on Educational sciences, author of scientific article — Laureano Piris-Botalla, Germán G. Oggier, Andrés M. Airabella, Guillermo O. García

Resumen En este trabajo se analiza la operación con conmutación suave de un convertidor CC-CC bidireccional de tres puertos (CTP) para sistemas eléctricos híbridos. Se estudia el principio de control de flujo de energía y la operación con conmutación suave para establecer sus regiones de operación. A partir de este análisis se definen criterios de diseño para operar el CTP con conmutación suave en un amplio rango de funcionamiento. Los parámetros considerados son las relaciones de transformación y las inductancias de dispersión del transformador, las cuales determinan la máxima potencia que puede ser transferida. Se presentan resultados experimentales para validar el análisis. Abstract The behavior of a three-port bidirectional DC-DC converter (TPC) under soft-switching mode applied to hybrid electric systems is analyzed in this paper. The principle of power flow control and the operation under soft-switching mode have been studied to establish the converter operation regions. The parameters considered are the transformer turns ratio and the leakage inductances, which establish the maximum power that can be transferred. As a result, design considerations to operate the TPC under soft-switching mode within a wide operation range, by using the conventional modulation strategy, are presented. Experimental results are included to validate the proposal.

Academic research paper on topic "Extensión del Rango de Operación con Conmutación Suave de un Convertidor CC-CC Bidireccional de Tres Puertos"

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Disponible en www.sciencedirect.com

Revista Iberoamericana de Automática e Informática industrial 13 (2016) 127-134

R I A I

www.elsevier.es/RIAI

Extensión del Rango de Operación con Conmutación Suave de un Convertidor CC-CC

Bidireccional de Tres Puertos

Laureano Piris-Botalla*, German G. Oggier, Andrés M. Airabella, Guillermo O. García

Grupo de Electrónica Aplicada (GEA), Facultad de Ingeniería, Universidad Nacional de Río Cuarto, Ruta Nacional # 36 Km. 601, X5804BYA, Río Cuarto, Argentina. CONICET.

Resumen

En este trabajo se analiza la operacion con conmutacion suave de un convertidor CC-CC bidireccional de tres puertos (CTP) para sistemas electricos híbridos. Se estudia el principio de control de flujo de energía y la operacion con conmutacion suave para establecer sus regiones de operacion. A partir de este analisis se definen criterios de diseño para operar el CTP con conmutacion suave en un amplio rango de funcionamiento. Los parámetros considerados son las relaciones de transformacion y las inductancias de dispersion del transformador, las cuales determinan la maxima potencia que puede ser transferida. Se presentan resultados experimentales para validar el analisis.

Palabras Clave:

Electrónica de Potencia, Convertidores y Accionamientos Electricos, Sistemas Electricos y Electrónicos de Potencia, Vehículos Híbridos.

1. Introducción

Los sistemas electricos híbridos son aquellos que se alimentan de diferentes fuentes de energía y almacenadores. Actualmente, su uso se esta incrementando debido a sus potenciales aplicaciones en sistemas electricos híbridos como por ejemplo vehículos electricos híbridos (VEH), sistemas de generacion de energías renovables, sistemas ininterrumpidos de energía, entre otros (Bizon, 2012) (Dursun and Kilic, 2012) (Hajizadeh and Golkar, 2010) (Tan Xingguo and Hui, 2013). En estas aplicaciones, las fuentes de energía y los almacenadores, tales como baterías y supercapacitores, poseen diferentes niveles de tension y características tension-corriente entre sí y respecto de la carga (Lalit and Shailendra, 2013). Por ello, surge la necesidad de incorporar interfaces de electrónica de potencia adecuadas, con el objetivo de adaptar los diferentes niveles de tensioí n y realizar un control del flujo de energía entre cada uno de los bloques (Etxeberria et al., 2012). Una posible solucion es la utilizacion de convertidores multipuertos ya que permiten centralizar el control del flujo de energía en una unica interfaz mi-

* Autor en correspondencia.

Correos electronicos: lpiris@ing.unrc.edu.ar (Laureano Piris-Botalla), goggier@ing.unrc.edu.ar (German G. Oggier), aairabella@ing.unrc.edu.ar (Andrés M. Airabella), ggarcia@ing.unrc.edu.ar (Guillermo O. García)

URL: www.ing.unrc.edu.ar/grupos/gea/ (Laureano Piris-Botalla)

nimizando el volumen, costos y complejidad del sistema (Vural et al., 2010).

Una de las ventajas del CTP es su capacidad de poder operar con conmutacion suave (Farzanehfard et al., 2008) (Adib and Farzanehfard, 2009) (Anwer Naqui and Ahmad, 2013), la cual se caracteriza por reducidas perdidas de conmutacion debido a que la misma se realiza cuando la tension, la corriente, o ambas variables, son iguales a cero a traves de los interruptores cuando se produce una conmutacion. Sin embargo, esta característica solo se obtiene en una determinada region de operacion establecida cuando la potencia transferida es elevada y las relaciones de conversion de tensiones son próximas a la unidad (Oggier et al., 2009). Por otro lado, la conmutacion dura se caracteriza porque la conmutacion se realiza con valores de tension y corriente elevados, incrementandose las perdidas de conmutacion (Piris-Botalla et al., 2014) (Kovacevic et al., 2008).

En (Duarte et al., 2007) se presenta una topología de tres puertos para un sistema electrico híbrido compuesto por celdas combustible, un banco de baterías y una carga. La utilizacion de un banco de baterías permite optimizar la eficiencia del sistema electrico híbrido, cuando la potencia demandada por la carga es inferior a la que entrega la celda de combustible, debido a que las baterías almacenan el excedente de potencia. Ademas, la utilizacion de un banco de baterías permite mejorar la respuesta transitoria del sistema, frente a la que se obtiene cuando se utiliza iónicamente una celda de combustible. En (Zhao and

© 2015 CEA. Publicado por Elsevier España, S.L.U. Este es un artículo Open Access bajo la licencia CC BY-NC-ND (http://creativecommons.Org/licenses/by-nc-nd/4.0/) http://dx.doi.Org/10.1016/j.riai.2015.04.007

Figura 1: Topología del CTP

Kolar, 2004) y (Zhao et al., 2008) se presenta un CTP, el control de flujo de energía se realiza aplicando un determinado desfase entre las tensiones a bornes del transformador. Ademas se introduce una modulación a una de las tensiones generadas en uno de los puertos, consiguiendose minimizar las perdidas totales del sistema. En (Tao et al., 2008) y (Tao et al., 2005) se trabaja con una topología de tres puertos utilizando una modulacion PWM lo que permite extender el rango de operacion en conmutacion suave, pero requiere de un control mas complejo.

La bibliografía consultada no presenta un analisis de la conmutacion suave del CTP considerando el efecto de determinados parámetros del transformador de alta frecuencia, como las relaciones de transformacion y el valor de las inductancias de dispersion, los cuales deben dimensionarse adecuadamente en funcion de los requerimientos del convertidor ((De Donc-ker et al., 1991), (Inoue and Akagi, 2007), (Jain and Ayyanar, 2008), (Oggier et al., 2006)). En este trabajo se analiza la operacion del convertidor con conmutacion suave determinandose criterios de diseno del transformador de alta frecuencia que permitan extender la region de operacion con conmutacion suave operando el convertidor con la estrategia de modulacion convencional.

El trabajo esta organizado de la siguiente manera: La Seccion 2 presenta una descripcion de la topología CTP, el control de flujo de energía y sus modos de funcionamiento. En la Seccion 3 se analizan las condiciones de conmutacion suave. En 4, se muestran los resultados experimentales del CTP. Las conclusiones se presentan en la Seccion 5.

2. Descripción de la Topología y Principio de Funcionamiento

En la Fig. 1 se muestra un esquema de la topología del CTP. Esta se compone de tres puentes completos B1, B2 y B3, y un transformador de alta frecuencia Tx. Las inductancias L€1, L' donde x e y indican los puertos entre los que se conecta cada

vr i^C^) ¿ J 23 v 3 ^ Jb)'

Figura 2: Circuito equivalente A del CTP

y L'(3 representan las inductancias de dispersion del transformador. Cada puente completo puede funcionar como rectificador o inversor en funcion del sentido del flujo de energía. Los interruptores Sxa, mostrados en la Fig. 1, pueden implementarse mediante un transistor de potencia Txa, un diodo en antiparalelo, Dxa, y un capacitor de conmutacion, Cxa, donde x representa el numero de puerto y a representa el numero de interruptor.

Para simplificar el analisis, todas las variables y parametros de los puertos 2 y 3 se refieren al puerto 1 obteniendose un circuito equivalente en estrella, utilizando las siguientes relaciones: L« = L'a/n2, vt2 = VT2/«2, V2 = V2ln2 y ¿2 = i'2n2 para el puerto 2 y L¿3 = L^3/n2, vt3 = v't3/n3, V3 = V3/n3 y i3 = i'3n3 para el puerto 3, donde n2 y n3 representan las relaciones de transformacion de los puertos 2 y 3, respectivamente. En este trabajo la inductancia de magnetizacion se considera lo suficientemente elevada como para no incluirla en el modelo. A su vez, el circuito equivalente en estrella puede ser transformado en un circuito equivalente en A como se muestra en la Fig. 2 (Wang et al., 2012). En esta figura vt 1, vt2 y vt3, representan las tensiones de alterna generadas por los puentes B1, B2 y B3, respectivamente y las inductancias L12, L13 y L23 se obtienen a traves de una transformacion Y - A. Con el objetivo de simplificar la notacion, las inductancias del equivalente A se normalizan respecto a L12 como: L2 = L23/L12 y L3 = L13/L12.

En este trabajo, V1 representa la tension de un banco de baterías, V2 la tension de un supercapacitor y V3 la tension de CC de la carga. El objetivo del CTP es regular la tension del lado de la carga en un valor de referencia constante, en presencia de perturbaciones originadas por la carga y/o las fuentes de alimentacion, independiente del sentido del flujo de energía. El banco de baterías aporta la potencia media demanda por la carga, mientras que el supercapacitor se utiliza para suministrar y/o almacenar los transitorios de potencia de acuerdo a los requerimientos del sistema. Las relaciones de conversion de tension se definen respecto a la tension de CC del puerto 1 como d12 = V2/V1y ¿13 = V3/V1.

De acuerdo con el circuito equivalente A mostrado en la Fig. 2, la dinamica de la corriente a traves de cada una de las ramas puede expresarse como:

dixy(d) VTx(d) - VTy(d)

una de las inductancias equivalentes , в = wt, w = 2пfs y fs es la frecuencia de conmutación. Las expresiones para г'12(в), г'23(в) e г'13(в) pueden obtenerse resolviendo (1), las cuales se utilizan para determinar las expresiones de corriente en cada puerto como:

il (в) = il2 (в) + il3 (в) , (2)

i2 (в) = i23 (в) - il2 (в) , i3 (в) = -il3 (в) - i23 (в) .

La Fig. 3 muestra las principales formas de onda correspondientes al circuito equivalente en A: vt 1, vt2 y vt3 y las corrientes en cada puerto i1(e), ¿2(0) e ¿3(0) para una condicion particular de funcionamiento dada por 0 < ó12 < 513, d12 < 1 y d13 < 1. Los angulos ó12 y 513 corresponden a los desfases entre vt 1 y vt2, y entre vt 1 y vt3, respectivamente. El angulo ó12 es positivo cuando vt 1 adelanta a vt2. De la misma manera, el angulo 513 es positivo cuando vt 1 adelanta a vt3

En regimen permanente, cada una de las corrientes del transformador, ix, poseen un valor medio igual a cero, lo cual produce una simetría impar en sus formas de onda e implica que se debe cumplir la condicion ix(n) = -ix(0). Por lo tanto, a partir de las ecuaciones (2), (3) y (4), las expresiones de las potencias en cada puerto del convertidor pueden obtenerse resolviendo la siguiente expresion.

Px = -

1 Г П J0

vTx (в) ix (в) d^

donde vTx e ix representan la tension y corriente alterna del puerto correspondiente, respectivamente. A continuacion se presentan las expresiones de la potencia para cada puerto obtenidas en funcion de V1 como:

V^ôndun - L3ô2l2dn + dl3ôl3n - d^ô^)

0 S12 ó13 n

Figura 3: Formas de onda ideales del CTP con l > dl2 > dl3 .

En este trabajo, se asume que el tiempo de conmutacion es reducido respecto al período de conmutacion, lo que permite considerar que la conmutacion se produce de manera instantanea. Esta condicion permite simplificar el analisis para obtener las restricciones de operacion con conmutacion suave.

Para evitar que se produzca un corto circuito en los puentes del convertidor, el tiempo muerto debe ser mayor al maximo tiempo de carga/descarga de los capacitores de conmutacion Cxa. Este tiempo puede determinarse a partir de la siguiente expresion (Kheraluwala et al., 1992),

V?(dl2(2L2ôl2(ôl2 - n) + dl2ôl2(ôl2 - 2ôl3 + п) - Kl))

y?(rf?2L3ôl2(ôl2 - 2ôl3 + п) + K2 - K3)

2nwL2L3

Kl = dl3(ô22 - 4ônôl3 + 2ô23 + 3ônn - 2ôl3n), K2 = 2dl3 L2ôl3(-ôl3 + п),

K3 = dndl3L3(ô22 + 2ôl3(ôl3 - п) + ôn(-4ôl3 + 3п)).

3. Análisis de las regiones de operación con conmutación suave

En esta sección se analizan las regiones de operación con conmutación suave del CTP. Para ello, se utiliza el circuito equivalente de la Fig 2.

3.1. Restricciones de Operación con Conmutación Suave

A partir del análisis de la conmutación suave aplicado en una topología de dos puertos (De Doncker et al., 1991) y (Og-gier et al., 2009) y extendiendo los resultados al convertidor CTP, puede demostrarse que las condiciones de conmutacion suave implican el cumplimiento de las siguientes restricciones: i1(0) < 0, i2(512) < 0 y i3(513) < 0. De manera analoga, analizando los angulos simetricos, se puede concluir que estas condiciones implican i1(n) > 0, i2(n + ó12) > 0 e i3(n + 513) > 0. Si alguna de estas condiciones no se cumplen, entonces el CTP opera con conmutacion dura.

Evaluando las expresiones (2), (3) y (4) en los instantes de conmutacion respectivos, se obtienen los valores de corrientes como:

il(0) = -

Vl(2Lзdl2Ôl2+Lзп(1 - du) + 2dl3ôl3 + п(1 - dl3))

2Cxa Vx

ixôxx

^13) < 0 /

A d„ ) /

il{0) < 0 i2(Sn) < 0

( A d„ ) A d„ )

Figura 4: Plano d\3 vs. d\2 donde se muestran las diferentes regiones de operacion.

¿2(^12) =

V^(-2d13¿13+2d13¿12 - d12n + d13n - 2L2S12+M1)

A partir de las expresiones de corriente evaluadas en los angulos de conmutacion y utilizando las restricciones de con-mutacioí n suave, pueden obtenerse las expresiones para los aíngu-los 612 y ¿13 que determinan los límites de conmutacion suave. A continuacioí n se presentan las soluciones para la regioín A de la figura 4:

¿12 >

n (- (L3 + L2L3) d22 - (-L3L2 + L2 + L2) d12 + N1)

2(L2(L3d12 + L2 - d13))

¿13 >

n (- (L3 + L2L3) d22 + 2L2L3d12 - L2d13 - L2L3d13 + N2)

2(L2(L3d12 + L2 - d13))

N1 = L3d123 + L22 + L2d123,

N2 = -L2d13 + L22 + L3d123 + L2d123.

De la misma manera, pueden obtenerse las soluciones para las regiones B y C.

i3(¿13) =

V1(-2L2¿13 + L2n - L2d13n - 2L3d12¿13 + M2)

2wL3 L2

M1 = L^n - L^d^n,

M2 = 2L3¿12d12 + í^d^n - L3d13n.

Finalmente, las restricciones para operar al CTP con conmutacion suave se definen imponiendo (10), (11) y (12) menores que cero.

3.2. Limites de Operacion con Conmutacion Suave

Analizando la expresion (10), puede deducirse que esta es negativa para todos los valores de d12 < 1 y d13 < 1 cuando 0 < ¿12 < ¿13, mientras que (11) y (12) pueden ser tanto positivas como negativas. Esta condicioín permite simplificar el anaílisis para obtener las restricciones de operacioí n con conmu-tacioí n suave para el CTP, dado que se reducen las ecuaciones a resolver.

Extendiendo el anaílisis previo para todos los posibles valores de d12 y d13, puede deducirse que existen diferentes regiones en donde una corriente de puerto siempre seraí negativa en el instante de conmutacioí n, cumplieíndose la restricciones de conmutacion suave.

La figura 4 muestra tres diferentes regiones en el plano d12 en funcion de d13 para la condicion de fase 0 < ¿12 < ¿13: la region A corresponde a valores de d12 < 1 y d13 < 1 donde se cumple que (10) es siempre menor que cero; la region B incluye los valores de d12 > 1y d12 > d13, en la cual se cumple que (11) es siempre menor que cero; finalmente, la regioí n C incluye los valores de d13 > 1 y d13 > d12 en la cual se cumple que (12) es siempre menor que cero.

3.3. Influencia de las Inductancias de Dispersion

Con el objetivo de analizar la influencia de las inductancias de dispersion en los límites de operacion con conmutacion suave del CTP, se obtienen las derivadas de (13) y (14) respecto de las inductancias L2 y L3.

Este analisis permite determinar como pueden modificarse los valores de las inductancias de dispersioín para poder extender el rango de operacioí n con conmutacioín suave del CTP.

En la Fig. 5 se muestran los resultados de evaluar las derivadas de las funciones mencionadas previamente cuando L2 = L3 = 1 y d12 y d13 son menores que uno. La Fig. 5(a) corresponde a d¿12/dL2 y d¿12/dL3, mientras que la Fig. 5(b) corresponde a d¿13/dL2 y d¿13/dL3. Las superficies oscuras indican la variacion de los límites de conmutacion suave respecto a L2, mientras que las superficies claras corresponden a las derivadas respecto a L3. Estos resultados indican la direccion del incremento de los angulos ¿12 y ¿13 en funcion de las inductancias de dispersion. Un incremento en ¿12 y ¿13 corresponde a una reduccion del rango de operacion con conmutacion suave según se analizoí anteriormente.

A partir de los resultados mostrados en la Fig. 5, puede concluirse que el valor de la inductancia L2 afecta significativamente los límites de conmutacion suave del CTP y en mayor medida que la inductancia L3. Esto se debe a que, para la condicion de fase 0 < ¿12 < ¿13, un incremento de alguna de las inductancias de las ramas complementarias a la que conecta los dos puertos entre los que se transfiere potencia, tiene el efecto de modificar el desfase necesario de las tensiones para transferir una determinada potencia a la carga.

En la region correspondiente a d12 < d13, las derivadas son siempre negativas. Esto indica que una disminucion en los valores de las inductancias produce un incremento en el valor mínimo de ¿12 y ¿13 y por lo tanto una reduccion en el rango de

operacion con conmutacion suave. Mientras que en la region correspondiente a dl2 > dl3, las variaciones de los valores de inductancia no afectan significativamente los límites de conmutacion suave. Por lo tanto, a partir de estos resultados, puede concluirse que un incremento en el valor de L2 permite extender los límites del rango de operacion con conmutacion suave.

El analisis presentado en esta Seccion se puede aplicar a las regiones B y C mostradas en la Fig. 4. Como resultado, es posible obtener otras relaciones de inductancias que aumenten el rango de operacion con conmutacion suave.

3.4. Extensión del Rango de Operación con Conmutación Suave

La Fig. 6 muestra los valores de desfases mínimos para operar el CTP con conmutacioín suave obtenidos luego de evaluar las expresiones (13) y (14) en funcion de las relaciones de tension para dos conjuntos de inductancias, L2 = L3 = 1

y L2 = 10, L3 = 1. Estas relaciones de inductancias se eli-jen para poder diferenciar la ampliation del rango de operacion con conmutacion suave respecto de los valores convencionales (L2 = L3 = l). En lineas punteadas se presentan los resultados para el conjunto de inductancias dado por la relacion L2 = L3 = 1 mientras que en líneas continuas para el conjunto dado por la relacion L2 = 10, L3 = 1. Estas figuras muestran que las regiones de operacioín con conmutacioín suave cambian en funcion de las inductancias de dispersion de acuerdo con el analisis presentado. En particular, para la region A de la Fig. 4, para la condicion dl3 > dl2, a partir de las figuras 6(a) y 6(b) se encuentra que los valores límites a partir de los cuales el convertidor comienza a operar con conmutacioín suave, para el caso representado en líneas continuas, son menores que en el caso de líneas punteadas.

A partir del analisis previo, puede concluirse que el convertidor puede operar con conmutacion suave en un mayor rango de operacion disenando adecuadamente las inductancias de dis-

persioín del transformador de alta frecuencia. A continuacioín, se establecen los criterios para dimensionar las relaciones de transformacioín n2 y n3 (ver Fig. 1).

3.5. Consideraciones de Diseño del Transformador de Alta Frecuencia

Las inductancias L^1, L'(2 y L'(3 mostradas en la Fig. 1 deben poseer valores adecuados, ya que la potencia que puede transferir el convertidor y el rango de operacioín con conmutacioín suave, y en consecuencia las peírdidas de potencia del convertidor, son funcion de las mismas como se explico) anteriormente. En este trabajo, el transformador se disena minimizando las induc-tancias de dispersion debido a que son difíciles de dimensionar con precision en la practica y se agregan inductores auxiliares del valor requerido en serie con cada puerto del convertidor.

Para determinar las relaciones de transformacion, se utilizan las relaciones de conversion de tension definidas en la Seccion 2. Entonces, a partir de las consideraciones previas, las relaciones de transformacion se determinan como:

Vidi2' V

Utilizando la transformacion A- Y pueden determinarse L^1, L¿2 y L¿3 y aplicando las relaciones de transformacion correspondientes se obtienen los valores de inductancias de dispersioín Ln, L'a y L'a.

4. Resultados

En esta seccion se presentan resultados experimentales obtenidos con un prototipo experimental, cuyos parámetros son los establecidos en la Tabla 1 con el objetivo de validar los anaílisis presentados.

Tabla 1: Parámetros del Convertidor Implementado.

Potencia con tensión nominal

Potencia con tensión mínima1,2

Tensión nominal CC

3.12 kW

1.76 kW

Frecuencia de conm. fs

P1 y P2 IGBT/FWD

P3 IGBT/FWD

Driver

pControlador

20 kHz

SKM150GB12T4G (Semikron)

BSM150GB60DLC (Infineon)

SKHI22AH4 (Semikron)

DSP T.I. TMS320F28335

Inductores Auxiliares ¿12 ¿13 ¿23

Inductancia 40 pH 40 pH 40 pH

NUcleo Modelo EPCOS EC70/35/16 - Material N27

1 Considerando la fase maxima para la transferencia de potencia

Considerando la corriente pico maíxima

Las regiones de operacion del CTP estan limitadas por las variaciones de tension admitidas. Se considera una variacion

del 50 % en la tension del supercapacitor y un 25 % en el banco de baterías. Ambos valores expresan la variacion de tension entre el estado de plena carga y descarga.

El prototipo experimental se desarrollo segtín el circuito equivalente mostrado en al Fig. 2. El detalle de los principales componentes se presenta en la Tabla 1.

En la Fig. 7 se muestra un esquema simplificado del prototipo implementado, el cual estaí formado por dos etapas: la etapa de potencia y la etapa de control. La etapa de potencia esta constituida por las fuentes V1 y V2 encargadas de emular el banco de baterías y el supercapacitor, respectivamente y los puentes activos B1, B2y B3 que generan las tensiones alternas alimentan el circuito equivalente en A correspondiente al transformador de alta frecuencia. Estos puentes estaín formados por los interruptores de conmutacioín, los capacitores de conmutacion, los circuitos de activacion de los interruptores, los capacitores de filtro, el disipador donde se sujetan los interruptores y las barras de CC que conectan los puentes activos con la ali-mentacioín y la carga, respectivamente.

La etapa de control se implementa con un controlador digital (DSP) conectado a una placa electrónica que incluye los circuitos de adaptacion de senales, PWM, de medicion y proteccion. El DSP es el encargado de ejecutar los algoritmos de modulacioín y realizar otras acciones relacionadas con proteccion y comunicacion con una PC, la que funciona como interfaz con el usuario.

Para inicializar el sistema se debe establecer una comunicacion entre la PC y el controlador, el cual establece las señales PWM de los circuitos de activacion de los interruptores de conmutacion. El valor inicial de las variables ¿12 y ¿13 es cero, modificandose en funcion de la referencia de potencia.

El convertidor tambien posee proteccion de cortocircuito en los tres puentes del convertidor, los que actóan sobre los circuitos de activacion de los interruptores.

Se efectóan mediciones de las corrientes del convertidor en los instantes de conmutacion para dos puntos de operacion extraídos de las figuras 6(a) y 6(b), de manera que sea posible discriminar cuando el convertidor opera con conmutacion suave.

El punto que corresponde a la operacion con conmutacion dura esta dado por los siguientes parámetros: P1 = 415,4 W, P2 = -88,4 W, P3 = -236,7 W, V1 = 96 V, V2 = 70,4 V, V3 = 93,1 V, d12 = 0,73, d13 = 0,97, ¿12 = 0° y ¿13 = 27°. Con una potencia de peírdida Pp = 90,27 W, el rendimiento del convertidor fue de n = 78,27 %. Mientras que el punto que corresponde a la operacioín con conmutacioín suave estaí dado por los siguientes parámetros: P1 = 2,235 kW, P2 = -931 W, P3 = -1,081 kW, V1 = 101,2 V, V2 = 98,4 V, V3 = 99,3 V, d12 = 0,97, d13 = 0,98, ¿12 = 43° y ¿13 = 48°. Con Pp = 222,5 Wy n = 90,04%.

Las Figs. 8 y 9 muestran las formas de onda que corresponden a la operacion con conmutacion dura y conmutacion suave del CTP, respectivamente. Dado que los puertos 2 y 3 funcionan como carga, para una correcta interpretacioín del modo de conmutacion, debe invertirse el signo de las corrientes i2(0) e Í3(0).

En la Fig. 8 la forma de onda de tension vT 1(0), se repre-

Figura 7: Esquema del prototipo implementado.

senta en color rojo y corresponde al canal 4 del osciloscopio, mientras que las formas de onda de las corrientes i1(e), i2(0) e i3(e) se representan con los colores amarillo, verde y azul, que corresponden a los canales 1,2y3del osciloscopio, respectivamente. Ademas, es posible apreciar que: i1(0) < 0, i2(512) > 0 e ¿3(ó13) < 0. Dado que una de las corrientes es positiva en el instante de conmutacion, el convertidor opera con conmutacion dura, lo cual aumenta las perdidas de potencia.

Este resultado permite verificar el analisis de la seccion 3, el cual indica que para el punto de operacion dado por las relaciones de tension d12 = 0,73 y d13 = 0,97, los desfases de las tensiones vt2 y vt3 deben cumplir con las sigueintes condiciones: ó12 > 128° y 513 > 43°. Por lo tanto, el convertidor funcionara con conmutacion dura en todo el rango de operacion, ya que el mismo esta comprendido entre 0° y 90°.

La Fig. 9 muestra las mismas formas de onda que la figura anterior, con la diferencia que la tension alterna medida co-

rresponde a vT3(e). Para este caso, se obtiene que i1(0) < 0, i2(^12) < 0 e i3(513) < 0, pudiendo concluirse que las tres corrientes cumplen con las condiciones para operar el CTP con conmutacion suave. Esto ultimo tambien coincide con el analisis realizado en la Seccion 3, el cual establece que para el punto de operacion dado por d12 = 0,97 y d13 = 0,98, los desfases de las tensiones vt2 y vt3 deben cumplir con las siguientes condiciones: ó12 > 6,3° y 513 > 3,5°.

5. Conclusiones y trabajos futuros

En este trabajo se analizo la conmutacion suave para el convertidor CC-CC bidireccional de tres puertos (CTP). A partir de este analisis, se determine) que existen diferentes regiones en el plano de variaciones de tension, para las cuales se cumplen determinadas condiciones que permiten simplificar las ecuaciones

que deben resolverse para obtener las restricciones de conmutación suave. A partir de estas restricciones fue posible encontrar las regiones de operacion con conmutacion suave en funcion de determinados parámetros de diseno del convertidor como las relaciones de transformacion y el valor de las inductancias de dispersion, necesarias para el funcionamiento del CTP. Se obtuvieron resultados experimentales que verifican las regiones de conmutacion suave halladas previamente. Los resultados muestran la posibilidad de operar el convertidor en un amplio rango con conmutacion suave cuando se diseña adecuadamente el convertidor.

Como trabajo futuro, se propone desarrollar un modelo dinamico del CTP para luego diseñar una estrategia de control de la tension de salida del convertidor y potencia requerida (Martinez et al., 2009). Debido a que la característica de salida del convertidor es altamente no lineal, resulta interesante analizar la posibilidad de utilizar estrategias de control no lineales, como por ejemplo control por modos deslizantes, el cual se ha utilizado ampliamente en las topologías de convertidores basicas (reductor, elevador, reductor-elevador) (Silva-Ortigoza et al., 2008).

English Summary

Extending the Soft-Switching Operating Range of a Bidirectional Three-Port DC-DC Converter

Abstract

The behavior of a three-port bidirectional DC-DC converter (TPC) under soft-switching mode applied to hybrid electric systems is analyzed in this paper. The principle of power flow control and the operation under soft-switching mode have been studied to establish the converter operation regions. The parameters considered are the transformer turns ratio and the leakage inductances, which establish the maximum power that can be transferred. As a result, design considerations to operate the TPC under soft-switching mode within a wide operation range, by using the conventional modulation strategy, are presented. Experimental results are included to validate the proposal.

Keywords:

Power Electronics, Power Converters and Drives, Smart Grid, Electronic and Electrical Power Systems, Hybrid Vehicles.

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