Implementación de un sistema para pruebas experimentales de convertidores electrónicos básicos de potencia con aplicaciones en navegación aérea

Implementación de un sistema para pruebas experimentales de convertidores electrónicos básicos de potencia con aplicaciones en navegación aérea A MADOR M ARTÍNEZ R AFIQ 0 ÍNDICE DE TABLAS i Proyecto Fin de Carrera Ingeniería Aeroespacial Implementación de un sistema para pruebas experimentales de convertidores electrónicos básicos de potencia con aplicaciones en navegación aérea Autor: Amador Martínez Rafiq Tutor: Marta Laguna García Dpto. de Ingeniería Electrónica Escuela Técnica Superior de Ingeniería Universidad de Sevilla Sevilla, 2019 Implementación de un sistema para pruebas experimentales de convertidores electrónicos básicos de potencia con aplicaciones en navegación aérea AMADOR MARTÍNEZ RAFIQ ii Implementación de un sistema para pruebas experimentales de convertidores electrónicos básicos de potencia con aplicaciones en navegación aérea AMADOR MARTÍNEZ RAFIQ iii Proyecto Fin de Carrera Ingeniería Aeroespacial Implementación de un sistema para pruebas experimentales de convertidores electrónicos básicos de potencia con aplicaciones en navegación aérea Autor: Amador Martínez Rafiq Tutor: Marta Laguna García Profesora titular Dpto. de Ingeniería Electrónica Escuela Técnica Superior de Ingeniería Universidad de Sevilla Sevilla, 2019 Implementación de un sistema para pruebas experimentales de convertidores electrónicos básicos de potencia con aplicaciones en navegación aérea AMADOR MARTÍNEZ RAFIQ iv Implementación de un sistema para pruebas experimentales de convertidores electrónicos básicos de potencia con aplicaciones en navegación aérea AMADOR MARTÍNEZ RAFIQ v Proyecto Fin de Carrera: Implementación de un sistema para pruebas experimentales de convertidores electrónicos básicos de potencia con aplicaciones en navegación aérea Autor: Amador Martínez Rafiq Tutor: Marta Laguna García El tribunal nombrado para juzgar el Proyecto arriba indicado, compuesto por los siguientes miembros: Presidente: Vocales: Secretario: Acuerdan otorgarle la calificación de: Sevilla, 2019 El Secretario del Tribunal Implementación de un sistema para pruebas experimentales de convertidores electrónicos básicos de potencia con aplicaciones en navegación aérea AMADOR MARTÍNEZ RAFIQ vi Implementación de un sistema para pruebas experimentales de convertidores electrónicos básicos de potencia con aplicaciones en navegación aérea AMADOR MARTÍNEZ RAFIQ vii A mi padre, madre y hermana A mi tutora Implementación de un sistema para pruebas experimentales de convertidores electrónicos básicos de potencia con aplicaciones en navegación aérea AMADOR MARTÍNEZ RAFIQ viii Implementación de un sistema para pruebas experimentales de convertidores electrónicos básicos de potencia con aplicaciones en navegación aérea AMADOR MARTÍNEZ RAFIQ ix Agradecimientos Gracias a todas las personas que me ayudaron a realizar este proyecto. Gracias a mis padres por apoyarme en mis decisiones y ayudarme a hacerlo posible. Gracias a la gente del lab., a Marta y a Fran por aguantarme y echarme una mano siempre que pudieron. Gracias a Wally por mantenerme alejado de la hipotermia de las calles. Y gracias a esa persona que me calmó, me animó y me entendió cuando hizo falta. Amador Martínez Rafiq Sevilla, 2019 Implementación de un sistema para pruebas experimentales de convertidores electrónicos básicos de potencia con aplicaciones en navegación aérea AMADOR MARTÍNEZ RAFIQ xvi Implementación de un sistema para pruebas experimentales de convertidores electrónicos básicos de potencia con aplicaciones en navegación aérea AMADOR MARTÍNEZ RAFIQ xvii Introducción En este trabajo vamos a desarrollar un convertidor DC-DC, basado en 3 esquemas distintos: Buck, Boost y Buck-Boost1. Se van a implementar de forma que cada componente sea modular e intercambiable, de modo que con un mismo conjunto de componentes se puedan probar y estudiar las 3 configuraciones distintas. Vamos a recurrir a distintas técnicas que incluye el diseño de PCBs (Printed Circuit Boards) por ordenador, la fabricación de estas mismas e incluso impresión en 3D, que abordaremos en las distintas secciones. El diseño e interfaz están pensado en gran medida para ser muy intuitivos y fáciles de operar. Esto ayudará para una fácil comprensión de los distintos montajes y poder profundizar en su funcionamiento. Será de gran ayuda a la hora de realizar prácticas de Laboratorio sobre esta temática. A su vez sirve para entender una tecnología cada vez más presente en todo el sector aeronáutico. Conforme pasan los años los aviones, UAVs (Unmanned Aircraft Vehicles) y demás vehículos aéreos van adquiriendo más sistemas eléctricos y, por lo tanto, más potencia eléctrica instalada. Todos estos cambios se han manifestado en una iniciativa presente llamada “MEA” (More Electric Aircraft). Fue una iniciativa adoptada tanto por las grandes empresas del sector aeronáutico en cuanto a fabricación de aeronaves como por muchas de las empresas que le suministran equipos, software y soporte técnico. Lo que se pretende es optimizar el rendimiento de la aeronave, aumentar la fiabilidad de los suministros, reducir los costes de operación y de mantenimiento, al igual que las emisiones de gases. Para conseguir aumentar la presencia de sistemas eléctricos sin llegar a sustituir los motores de combustión (por ahora), se sustituyen los equipos que utilizasen fuentes de energía tales como hidráulica, neumática y mecánica. Implementando actuadores electrohidrostáticos y sistemas de generación y conversión de energía. Otro tendencia en el sector que está relacionada con el aumento de componentes eléctricos son los llamados “Fly by wire” y “Power by wire”. La primera de éstas consiste en que las órdenes, señales y actuaciones en las superficies de control y en los motores no es realizada mediante un enlace mecánico (un cable, una cadena, engranajes…), sino mediante bus de datos. Las acciones del piloto en la palanca son trasmitidas a la computadora de control de vuelo y, mientras queden dentro de la envolvente de funcionamiento, esta las valida y las hace llegara a los actuadores hidráulicos. La segunda se trata de sustituir estos actuadores hidráulicos y sus correspondientes sistemas, bombas y válvulas, por sistemas electrohidráulicos como los previamente comentados. Ejemplo 0–1. Uno de los mejores ejemplos de esto es el A320 de Airbus, primer avión en implementar la tecnología “Fly by wire” y haciendo grandes avances a lo largo de sus actualizaciones y distintas versiones. Y en cuanto a “Power by wire” tenemos el A380, de Airbus también, que presenta este avance en parte debido a su gran tamaño. Una materialización de esta tendencia hacia aumentar los sistemas eléctricos también la podemos ver en otra de las grandes empresas como puede ser Boeing, en este caso una compañía americana. Se trata del Boeing 787, una aeronave en dar un gran paso hacia el MEA. En el B787 no encontramos sistema de sangrado de aire de los motores como tradicionalmente se ha hecho para el circuito neumático u otros usos secundarios. Ha sido sustituido por sistemas eléctricos, aumentando los requerimientos de potencia eléctrica de la aeronave. Así, ha sido rediseñada completamente la distribución del cableado, al igual que se ha aumentado considerablemente la potencia de los generadores, pasando de una potencia típica de unos 120kVA por motor (240kVA en total) a 1 Buck es --------. Boost es cambio -----. Buck-Boost es ------- Implementación de un sistema para pruebas experimentales de convertidores electrónicos básicos de potencia con aplicaciones en navegación aérea AMADOR MARTÍNEZ RAFIQ xviii tener 2 generadores de 250kVA en cada motor del 787 (1000kVA en total). Figura 0-1. A380 Imagen de Flickr Figura 0-2. Innovación sistema eléctrico B787 Imagen de Boeing Los voltajes más típicos y extendidos en la industria son de 115 VAC (Voltage on Alternating Current2) y 28 2 Voltaje de corriente Alterna Implementación de un sistema para pruebas experimentales de convertidores electrónicos básicos de potencia con aplicaciones en navegación aérea AMADOR MARTÍNEZ RAFIQ xix VDC (Voltage on Direct Current3). Sin embargo, en este caso encontramos una instalación de 235 VAC y de ± 270 VDC. Esto provoca de nuevo un aumento en la necesidad de equipos de electrónica de potencia y por lo tanto de convertidores DC-DC como el que nos ocupa en nuestro caso. 3 Voltaje de corriente Continua Implementación de un sistema para pruebas experimentales de convertidores electrónicos básicos de potencia con aplicaciones en navegación aérea AMADOR MARTÍNEZ RAFIQ xx Implementación de un sistema para pruebas experimentales de convertidores electrónicos básicos de potencia con aplicaciones en navegación aérea AMADOR MARTÍNEZ RAFIQ xxi Índice Agradecimientos ix Resumen xi Abstract xiii Antecedentes xv Introducción xvii Índice xxi Índice de Tablas xxiii Índice de Figuras xxv Notación xxxi 1 Nociones de electrónica 1 1.1 Convertidores de potencia 1 2 Descripción del Circuito 2 2.1 Conocimientos previos 2 2.2 BOOST 3 2.3 BUCK 5 2.4 BUCK-BOOST 6 2.5 INTERRUPTOR 7 3 Implementación 8 3.1 Cálculo de los valores de los componentes 8 3.2 Diseño del circuito 8 3.2.1 Resistencia 8 3.2.2 Condensador 9 3.2.3 Bobina 9 3.2.4 Diodo 10 3.2.5 MOSFET 11 3.2.6 Driver 12 3.2.7 Fibra óptica 13 3.2.8 Bloque de medidas 15 4 Realización de los circuitos impresos 18 4.1 Circuitos Impresos 18 4.1.1 Tipos de montaje 19 4.1.2 Conexiones verticales, Vías 21 4.2 Métodos de Fabricación 22 4.3 Diseño 23 4.3.1 Bloque de medidas 23 4.3.2 Placa del driver y Mosfet 27 4.4 Fabricación y Testeo 29 4.4.1 Resultados Placas 29 Implementación de un sistema para pruebas experimentales de convertidores electrónicos básicos de potencia con aplicaciones en navegación aérea AMADOR MARTÍNEZ RAFIQ xxii 5 Plataformas de montaje 35 5.1 Características comunes a todas las plataformas 36 5.2 Diseño de la caja para medidas 38 5.3 Diseño de la caja para la placa de disparos 39 5.4 Diseño de la caja para el diodo 39 5.5 Diseño de la caja para el condensador 40 5.6 Diseño de la caja para la bobina 41 5.7 Diseño de la caja para la resistencia 42 5.8 Diseño de las etiquetas 43 6 Fabricación y montaje de los bloques 45 6.1 Listado de herramientas utilizadas 45 6.2 Fabricación por impresión 3D 45 6.3 Montaje del bloque de medidas 47 6.4 Montaje del bloque para los disparos 51 6.5 Montaje del bloque para el diodo 53 6.6 Montaje del bloque para la bobina 55 6.7 Montaje del bloque para el condensador 56 6.8 Montaje del bloque para la resistencia 57 6.8.1 Pruebas de temperatura y pruebas destructivas 58 6.8.2 Montaje final 62 6.9 Montaje de los cables y su caja 65 7 Pruebas previas 67 7.1 Pruebas del bloque de medidas 67 7.2 Pruebas del bloque de disparos 70 7.3 Prueba del bloque de diodo 71 8 Puesta en marcha 73 8.1 Modelo de Simulink y programación 73 8.2 Interfaz para el usuario 75 8.3 Pruebas de la configuración de reductor (Buck) 76 8.4 Pruebas de la configuración de elevador (Boost) 79 8.5 Pruebas de la configuración Reductor-Elevador (Buck-Boost) 83 9 Estudio económico 87 9.1 Costes de impresión 3D 87 10 Resultados y Trabajos futuros 89 10.1 Resultados obtenidos 89 10.2 Trabajos futuros 89 Referencias 90 Glosario 93 Implementación de un sistema para pruebas experimentales de convertidores electrónicos básicos de potencia con aplicaciones en navegación aérea AMADOR MARTÍNEZ RAFIQ xxiii ÍNDICE DE TABLAS Tabla 3–1. Características claves 11 Tabla 3–2. Características del ISO5852S 12 Tabla 3–3. Configuración de los Pines, Emisor Tx 15 Tabla 3–4. Configuración de los Pines, Receptor Rx 15 Tabla 4–1. Componentes Medidor Voltaje 23 Tabla 4–2. Componentes Medidor Corriente 25 Tabla 4–3. Componentes Medidor Voltaje-Corriente 26 Tabla 4–4. Componentes Placa Driver 27 Tabla 6–1. Impresiones de la caja de medidas 47 Tabla 6–2. Elementos empleados 49 Tabla 6–3. Impresiones de la caja de medidas 51 Tabla 6–4. Elementos empleados 52 Tabla 6–5. Impresiones de la caja de medidas 53 Tabla 6–6. Elementos empleados 54 Tabla 6–7. Impresiones de la caja de medidas 55 Tabla 6–8. Elementos empleados 55 Tabla 6–9. Impresiones de la caja de medidas 56 Tabla 6–10. Elementos empleados 57 Tabla 6–11. Impresiones de la caja de medidas 65 Tabla 6–12. Impresiones de la caja de los cables en sus distintas partes 66 Tabla 9–1. Recopilación datos impresión en total 87 Tabla 9–2. Recopilación datos materiales p lacas y componentes 88 Implementación de un sistema para pruebas experimentales de convertidores electrónicos básicos de potencia con aplicaciones en navegación aérea AMADOR MARTÍNEZ RAFIQ xxiv Implementación de un sistema para pruebas experimentales de convertidores electrónicos básicos de potencia con aplicaciones en navegación aérea AMADOR MARTÍNEZ RAFIQ xxv ÍNDICE DE FIGURAS Figura 0-1. A380 xviii Figura 0-2. Innovación sistema eléctrico B787 xviii Figura 2-1 Ejemplos de distintas señales PWM Referencia 2 Figura 2-2 Diagrama eléctrico del circuito Boost. 3 Figura 2-3 Diagrama del circuito Boost en modo On 4 Figura 2-4 Diagrama del circuito Boost en modo Off 5 Figura 2-5 Diagrama eléctrico del circuito Buck 5 Figura 2-6 Diagrama del Buck en modo On y Off, respectivamente. 5 Figura 2-7 Diagrama eléctrico del circuito Buck-Boost 6 Figura 2-8 Diagrama del Buck-Boost en modo On y Off, respectivamente. 7 Figura 2-9 Esquema interruptor 7 Figura 3-1 Resistencia a utilizar vista superior 8 Figura 3-2 Resistencia a utilizar vista inferior 9 Figura 3-3 Condensador empleado 9 Figura 3-4 Bobina a emplear en el proyecto 10 Figura 3-5 Medición de la bobina. 10 Figura 3-6 MOSFET que se empleara para el montaje 11 Figura 3-7 Características de la salida 12 Figura 3-8 Driver ISO5852S 13 Figura 3-9 Salidas de Fibra óptica de la dSPACE 14 Figura 3-10 Receptor de fibra óptica que se utilizará 14 Figura 3-11 Emisor de fibra óptica que utilizaremos 14 Figura 3-12 Sensor de Voltaje, parte superior 15 Figura 3-13 Sensor de Voltaje, parte inferior 16 Figura 3-14 Sensor de corriente 17 Figura 4-1 Ejemplo de circuito impreso con algunos componentes, el material conductor en un verde más claro. https://pixabay.com/photos/canon-eos-ef-s-17-85-is-lens-1891685/ 18 Figura 4-2 Ejemplo de placa multicapa, donde encontramos también vías. https://www.sdypcb.com/news/company/multilayer-pcb-layer-stackup.html 18 Figura 4-3 Esquema montaje Through Hole, https://resources.altium.com/pcb-design-blog/why-use-through- hole-technology-in-pcb-design 19 Figura 4-4 Ejemplo de componente pensado para tecnología through hole, en este caso un circuito integrado. https://pixabay.com/photos/integrated-circuit-electronics-421816/ 19 Figura 4-5 Acabado final de componentes through hole, terminales de conexión al otro lado, una vez soldados. https://pixabay.com/photos/cyber-security-network-internet-2366908/ 19 Implementación de un sistema para pruebas experimentales de convertidores electrónicos básicos de potencia con aplicaciones en navegación aérea A MADOR M ARTÍNEZ R AFIQ 1 NOCIONES DE ELECTRÓNICA 1 1 NOCIONES DE ELECTRÓNICA n este primer capítulo vamos a ver unas nociones básicas sobre algunos temas que vamos a ver en los capítulos siguientes. 1.1 Convertidores de potencia En términos generales la electrónica de potencia se encarga de manejar y regular la cantidad de energía eléctrica suministrada a una carga. Normalmente suele ser la adaptación de una tensión e intensidad de entrada a los requerimientos que tenga la carga a su salida. La tecnología más ampliamente usada para realizar esta conversión es la electrónica de estado sólido con materiales semiconductores. Esto se consigue gracias a los convertidores de potencia que se encargan de hacer esta tarea. En cuanto a una clasificación, podemos realizar la siguiente: • Convertidor de AC a DC, también llamados rectificadores • Convertidor de DC a AC, también llamados inversores • Convertidor de AC a AC • Convertidor de DC a DC https://www.arrow.com/en/research-and-events/articles/types-of-switching-dc-dc-converters E Implementación de un sistema para pruebas experimentales de convertidores electrónicos básicos de potencia con aplicaciones en navegación aérea A MADOR M ARTÍNEZ R AFIQ 2 2 DESCRIPCIÓN DEL CIRCUITO 2 DESCRIPCIÓN DEL CIRCUITO n esta sección vamos a describir los distintos circuitos que vamos a tener en cuenta para este trabajo: Boost, Buck y Buck-Boost. Todas estas configuraciones presentan los mismos componentes: un interruptor (o un elemento que funcione como tal), una bobina, un condensador, un diodo y una prueba de carga que haría a modo de equipo al que los conectásemos. 2.1 Conocimientos previos Antes de proceder con los siguientes puntos vamos a explicar algunos conceptos y términos los cuales serán necesarios para la comprensión de los próximos apartados. El primero es una señal PWM (Pulse-Width-Modulation), una señal modulada que se basa en la variación de la relación entre el tiempo que está encendida y el tiempo que está apagada. A esta relación se la llama Duty Cycle, denominada y definida por: ON S t DT = (1.1) • ON t : tiempo encendido (ver figura) • S T : Periodo de la señal (=𝑡𝑡𝑂𝑂𝑂𝑂 +𝑡𝑡𝑂𝑂𝑂𝑂𝑂𝑂) Figura 2-1 Ejemplos de distintas señales PWM Referencia Como vemos por la definición y en la figura, cuanto mayor es D, mayor es el tiempo que está encendida la señal en un mismo periodo. Es un tipo de modulación muy empleada en casi cualquier tipo de industria. Entre algunas de las aplicaciones podemos encontrar en la operación de Servos, haciendo que cada valor de D corresponda a una posición de este. También encontramos un amplio uso en el sector de telecomunicaciones, haciendo posible mandar datos asignando distintos valores de información a los distintos valores de D. E Implementación de un sistema para pruebas experimentales de convertidores electrónicos básicos de potencia con aplicaciones en navegación aérea AMADOR MARTÍNEZ RAFIQ 2 DESCRIPCIÓN DEL CIRCUITO 3 2.2 BOOST Esta configuración sirve para obtener un voltaje igual o mayor a la salida, con la única pega de disminuir la intensidad a la salida debido a P=U*I. Es muy útil, por ejemplo, cuando tenemos baterías y necesitamos un voltaje mayor sin tener que hacer una agrupación de baterías muy grande, como puede ocurrir en el caso de los motores de un coche o un avión. Para la explicación de su funcionamiento nos vamos ayudar de unos diagramas del circuito. Este circuito tiene dos modos de funcionamientos: Modo Continuo y Modo Discontinuo. La diferencia de funcionamiento entre ellos es que en el modo discontinuo la corriente que pasa por la bobina llega a hacerse nula en algún momento. Esto se produce durante un periodo de conmutación del interruptor porque la bobina se descarga. Figura 2-2 Diagrama eléctrico del circuito Boost. Esto también provoca que cambie cómo se comporta el circuito y cambia la relación entre la tensión de entrada y la de salida. Para obtener esta relación podemos observar los circuitos con el interruptor abierto y cerrado, al igual que el diagrama de los valores que toma la tensión en la bobina. Como podemos ver la señal es periódica en el tiempo, se repite con el periodo de conmutación del interruptor, según la expresión s on off Tt t= + . La tensión de la bobina depende del estado del interruptor, lo que afecta también al estado del diodo. Observando los dos circuitos y aplicando ecuaciones de Kirchoff. Integramos en el tiempo para un periodo de la señal 00 0 s on s on Tt T L LL t v dt v dt v dt=+= ∫∫∫ (1.2) Esta integral es igual a 0 ya que las dos áreas de la señal, la del periodo ON y la del periodo OFF, son iguales. Esto viene asociado a que esta integral es igual al cambio total del flujo que pasa por la bobina. Debido a que es un proceso repetitivo en el tiempo, este cambio debe de ser nulo en un periodo completo de la señal. De (1.2) y podemos obtener: ( )0 d on d o off Vt V V t+− = (1.3) Dividiendo ambos términos por s T reordenando la ecuación: Implementación de un sistema para pruebas experimentales de convertidores electrónicos básicos de potencia con aplicaciones en navegación aérea AMADOR MARTÍNEZ RAFIQ 4 2 DESCRIPCIÓN DEL CIRCUITO 1 1 os d off VT Vt D = = − (1.4) Siendo: • D= Duty cycle de la señal que conmuta el interruptor • d V= Tensión de entrada • o V= tensión en la carga • s T= periodo de la señal de conmutación • L=inductancia de la bobina • I0= corriente de la entrada Obtenemos así la relación entre la tensión a la salida y a la entrada. Como podemos ver, asumiendo funcionamiento ideal de los componentes, solo depende de D. Relación en continuo: 𝑉𝑉0 𝑉𝑉𝑖𝑖=1 1−𝐷𝐷 Relación en discontinuo: 𝑉𝑉0 𝑉𝑉𝑖𝑖=1�𝑉𝑉𝑖𝑖∗𝑇𝑇∗𝐷𝐷2� 2𝐿𝐿∗𝐼𝐼0 Como podemos ver, calcular el valor de salida de la tensión es más complicado si trabajamos en Modo Discontinuo, ya que además de requerir muchos más parámetros tiene otro inconveniente. Si no se controla la tensión V0 en cada periodo de conmutación el circuito puede llegar a fallar de manera destructiva. Para empezar, tenemos dos estados del circuito, cuando el interruptor está cerrado (Modo ON) y cuando el interruptor está abierto (Modo OFF). Modo ON, primer ciclo: el interruptor está cerrado, creando un cortocircuito justo después de la bobina, y la corriente solo pasa por la bobina y por el interruptor antes de volver a la fuente. En este proceso en la bobina se almacena energía en el campo magnético mientras que en el resto del circuito no ocurre nada. Figura 2-3 Diagrama del circuito Boost en modo On Modo OFF: interruptor abierto. Al abrirse el interruptor se produce una diminución brusca en la corriente que pasa por la bobina lo que provoca que se origine un voltaje contrario al que teníamos en el estado anterior, debido a la propia naturaleza de la bobina de oponerse a los cambios repentinos de la corriente que la atraviesa. La corriente circula por la bobina y llega al resto del circuito haciendo que el diodo conduzca. El condensador se carga a la tensión 𝑉𝑉𝑖𝑖+𝑉𝑉𝐿𝐿 a la misma vez que llega esa misma tensión a la carga. Estamos despreciando la pequeña caída de tensión del diodo cuando conduce. Implementación de un sistema para pruebas experimentales de convertidores electrónicos básicos de potencia con aplicaciones en navegación aérea AMADOR MARTÍNEZ RAFIQ 2 DESCRIPCIÓN DEL CIRCUITO 5 Figura 2-4 Diagrama del circuito Boost en modo Off Modo ON, segundo ciclo y siguientes: en este paso, se vuelve a cerrar el interruptor. La bobina se vuelve a cargar de energía magnética. En la otra parte del circuito el condensador se había cargado y por lo tanto mantiene la carga a la tensión 𝑉𝑉𝑖𝑖+𝑉𝑉𝐿𝐿, aunque va disminuyendo debido a que el condensador se va descargando. Esta disminución es pequeña ya que el periodo de tiempo que transcurre hasta que se vuelve a abrir el interruptor es corto en comparación con el que tarda en descargarse el condensador. 2.3 BUCK El circuito Buck se trata de lo siguiente: Figura 2-5 Diagrama eléctrico del circuito Buck Como el circuito anterior vamos a estar operando en Modo Continuo, esto implica lo mismo, que la corriente en la bobina nunca se hace cero. Este modo es el que emplearemos, pero también presenta un Modo Discontinuo. Para ver su funcionamiento vamos a volver a estudiar los dos estados posibles del circuito. Figura 2-6 Diagrama del Buck en modo On y Off, respectivamente. De nuevo tenemos (1.2) se cumple. Pero en este caso como podemos ver en la imagen anterior, en este caso de Implementación de un sistema para pruebas experimentales de convertidores electrónicos básicos de potencia con aplicaciones en navegación aérea AMADOR MARTÍNEZ RAFIQ 6 2 DESCRIPCIÓN DEL CIRCUITO la integral queda: () () d o on o s on V Vt VT t−=− (1.5) Reordenando de nuevo nos queda algo más intuitivo: (duty cycle) o on ds Vt D VT = = (1.6) De modo que la relación entre la salida entrada queda únicamente determinada por el duty cycle de la señal de conmutación. 2.4 BUCK-BOOST La configuración Buck-Boost puede ser interesante cuando nos interese un amplio rango de valores de voltaje a la salida, ya que puede tanto aumentar como disminuir el valor absoluto de la tensión a la salida con respecto a la entrada. El valor absoluto es debido a que esta configuración invierte el voltaje de polaridad, obteniendo valores negativos de voltaje, ambos voltajes con respecto a la entrada. Para conseguir esta configuración podemos conectar en serie un convertidor Buck y un Boost, suponiendo que ambos interruptores son accionados por la misma fuente o al menos el mismo duty cycle. Así, para obtener la relación salida/entrada solo tenemos que multiplicar las relaciones antes obtenidas, (1.4) (1.6) : 1 1 o d VD VD =− (1.7) Hay otra forma de conseguir el mismo resultado sin tener que duplicar los componentes, simplemente reordenando los componentes de nuevo de la siguiente forma: Figura 2-7 Diagrama eléctrico del circuito Buck-Boost Cuando el interruptor está cerrado el diodo se encuentra en polarización inversa, separando el circuito en dos. En un lado la corriente de la fuente pasa a través de la bobina, cargándola. En el otro lado el condensador se descarga manteniendo así una corriente a través de la carga. Implementación de un sistema para pruebas experimentales de convertidores electrónicos básicos de potencia con aplicaciones en navegación aérea AMADOR MARTÍNEZ RAFIQ 2 DESCRIPCIÓN DEL CIRCUITO 7 Figura 2-8 Diagrama del Buck-Boost en modo On y Off, respectivamente. 2.5 INTERRUPTOR En nuestro caso concreto los componentes utilizados serán los mismo que los expuestos anteriormente (bobina, condensador, resistencia, diodo y fuente de alimentación). En cuanto al interruptor optaremos por un MOSFET (metal oxide semiconductor field effect transistor) controlado por un driver y este a su vez por una señal PWM de disparo, generada por la dSPACE. Figura 2-9 Esquema interruptor El MOSFET lo explicaremos más detalladamente en la próxima sección, pero esencialmente hace las veces de interruptor cuando se le aplica una cierta tensión. La función del driver es esencialmente adaptar nuestra señal de control PWM para que haga funcionar de manera correcta el driver, dando a su salida una señal equivalente, pero con mayor voltaje e intensidad. Implementación de un sistema para pruebas experimentales de convertidores electrónicos básicos de potencia con aplicaciones en navegación aérea AMADOR MARTÍNEZ RAFIQ 8 3 IMPLEMENTACIÓN 3 IMPLEMENTACIÓN n esta sección vamos a los componentes reales previamente comentados y sus características propias y más importantes. 3.1 Cálculo de los valores de los componentes En nuestro caso estamos limitados por los componentes disponibles en el laboratorio, como valores iniciales vamos a tomar: • R = 47Ω • L = 2mH • C = 1mF Una vez elegidos estos, solo nos queda ajustar la frecuencia de conmutación. El rizado depende inversamente de esta frecuencia (como podemos ver en la ecuación siguiente) por lo que tenemos que elegir la más alta que podamos teniendo en cuenta que estamos conmutando un MOSFET por lo que tampoco puede ser muy alta 1 (1 ) o L S V ID Lf ∆ ∆= − (1.8) Como valor de compromiso nos decidimos con 12.5kHz. 3.2 Diseño del circuito Una vez tenemos descrito las distintas configuraciones que vamos a tener en cuenta es hora de pasar a ver los componentes en concreto que vamos a utilizar. En esta sección para empezar vamos a hablar de los componentes básicos: resistencia, condensador y bobina. Posteriormente el diodo, el bloque que hace de interruptor y un bloque de medidas. 3.2.1 Resistencia La Resistencia que vamos a utilizar es una que estaba disponible en el laboratorio. Se trata de una resistencia de 47Ω y 300W de potencia como la de la siguiente imagen: Figura 3-1 Resistencia a utilizar vista superior E Implementación de un sistema para pruebas experimentales de convertidores electrónicos básicos de potencia con aplicaciones en navegación aérea AMADOR MARTÍNEZ RAFIQ 3 IMPLEMENTACIÓN 9 Figura 3-2 Resistencia a utilizar vista inferior Tiene un valor de 47Ω además de esto va a estar desarrollando una potencia, en el peor de los casos, de: 2 *V PVI R = = (1.9) Sustituyendo valores, (100)2 47 =213𝑊𝑊. Esta potencia es menor de la que pone el fabricante que puede soportar. 3.2.2 Condensador El condensador estaba disponible en el laboratorio y se trataba de uno de tipo electrolítico de valor 1mF. Figura 3-3 Condensador empleado 3.2.3 Bobina En cuanto a la bobina ya había varias disponibles en el laboratorio. Para elegir entre todas ellas tomamos el criterio de poder utilizar la frecuencia más reducida posible, mantienen el resto de características. Así, escogimos la de mayor inductancia, 2mH. Esta, además, era la de menor tamaño. Implementación de un sistema para pruebas experimentales de convertidores electrónicos básicos de potencia con aplicaciones en navegación aérea AMADOR MARTÍNEZ RAFIQ 16 3 IMPLEMENTACIÓN Figura 3-13 Sensor de Voltaje, parte inferior Hemos de seleccionar R1 de tal manera que al voltaje que vamos a medir circule una corriente por el primario de 10mA. En cuanto a algunas de sus características que representan una gran ventaja encontramos: • Excelente precisión: a valores nominales, ±0.9% • Pequeño tiempo de respuesta: escalón hasta el 90% de PN I , 40µs • Buena linealidad: error por linealidad <0.2% El LA utiliza también el efecto Hall, pero en este caso no es necesario conectar el cable por el que se quiere medir la corriente que pasa. Basta con introducir el cable por una ranura que tiene el sensor. Esta es una gran ventaja ya que no requerimos tener que cortar el cable y menos aún soldarlo. Además, presenta otras ventajas como el anterior en cuanto a: • Excelente precisión: a valores nominales, ±0.95% • Pequeño tiempo de respuesta: escalón hasta el 90% de PN I , <1µs • Buena linealidad: error por linealidad <0.15% Implementación de un sistema para pruebas experimentales de convertidores electrónicos básicos de potencia con aplicaciones en navegación aérea AMADOR MARTÍNEZ RAFIQ 3 IMPLEMENTACIÓN 17 Figura 3-14 Sensor de corriente Si se quiere una mejor medida, mejorando el acoplamiento magnético, debemos de dar unas cuantas vueltas al cable sobre la parte de arriba del sensor. Implementación de un sistema para pruebas experimentales de convertidores electrónicos básicos de potencia con aplicaciones en navegación aérea AMADOR MARTÍNEZ RAFIQ 18 4 REALIZACIÓN DE LOS CIRCUITOS IMPRESOS 4 REALIZACIÓN DE LOS CIRCUITOS IMPRESOS En este capítulo vamos a desarrollar el proceso completo hasta tener los circuitos impresos. Pasaremos por los distintos tipos de fabricación que existen junto con el que utilizaremos nosotros, el diseño de los propios circuitos impresos y por último su fabricación y testeo. 4.1 Circuitos Impresos Las placas de circuitos impresos (en inglés PCB, Printed Circuit Boards) sirven para sujetar mecánicamente los componentes y para conectarlos eléctricamente a través de pistas o buses de material conductor. El resto de la placa que no requiere conexiones está construido en un material no conductor, normalmente láminas de papel o fibras de vidrio impregnadas de resina epoxi, fenólica o poliéster, dependiendo de la aplicación. Las placas se distribuyen en capas, siendo las más sencillas de construir de 1 o 2 capas, ya que lo único que necesitamos una placa de substrato (el material no conductor) y colocar los componentes y pistas sobre uno o ambos lados de la placa. Figura 4-1 Ejemplo de circuito impreso con algunos componentes, el material conductor en un verde más claro. https://pixabay.com/photos/canon-eos-ef-s-17-85-is-lens-1891685/ Sin embargo, también existen circuitos impresos multicapa, los cuales intercalan en planos horizontales capas de sustrato y de pistas y componentes. Esta configuración da lugar a placas con muchas más posibilidades y un mayor nivel de complejidad alcanzables, todo esto manteniéndose en un formato muy compacto. También trae inconvenientes a la hora de la fabricación, ya que se requieren métodos más avanzados y maquinaría más especializada. Otros inconvenientes, pero en este caso de funcionamiento, son de compatibilidad electromagnética como pueden ser cross talk o ruido, los cuales se arreglan con diseño adecuado. Figura 4-2 Ejemplo de placa multicapa, donde encontramos también vías. https://www.sdypcb.com/news/company/multilayer-pcb-layer-stackup.html Implementación de un sistema para pruebas experimentales de convertidores electrónicos básicos de potencia con aplicaciones en navegación aérea AMADOR MARTÍNEZ RAFIQ 4 REALIZACIÓN DE LOS CIRCUITOS IMPRESOS 19 Una vez tenemos la placa formada por substrato y por las pistas conductoras es hora de añadirle los componentes y las vías. 4.1.1 Tipos de montaje Los componentes pueden estar en dos formatos de montaje: a través de orificio, through hole mounting THM, y montaje superficial. El primero de estos es el que se comenzó a realizar primero, se trata de realizar agujeros en la placa a través de los que se atraviesan los terminales de conexión del componente y se sueldan en el otro lado de la placa. Como en este diagrama: Figura 4-3 Esquema montaje Through Hole, https://resources.altium.com/pcb-design-blog/why-use-through- hole-technology-in-pcb-design • Lead: Terminal de conexión. Figura 4-4 Ejemplo de componente pensado para tecnología through hole, en este caso un circuito integrado. https://pixabay.com/photos/integrated-circuit-electronics-421816/ Figura 4-5 Acabado final de componentes through hole, terminales de conexión al otro lado, una vez soldados. https://pixabay.com/photos/cyber-security-network-internet-2366908/ En cuanto a ventajas de este tipo de montaje con respecto a montaje en superficie podemos ver: • Un prototipado más fácil ya que los componentes se pueden montar en una placa de pruebas • Conexiones mecánicas más resistentes. • Ventajas cuando tenemos que disipar grandes cantidades de calor en situaciones que tengamos más potencia Implementación de un sistema para pruebas experimentales de convertidores electrónicos básicos de potencia con aplicaciones en navegación aérea AMADOR MARTÍNEZ RAFIQ 20 4 REALIZACIÓN DE LOS CIRCUITOS IMPRESOS En cuanto a inconvenientes • Placas más costosas debido a que hay que taladrarlas. • Diseños menos compactos • El proceso de montaje es más complicado. En segundo lugar, encontramos el montaje en superficie, Surface Mounting, SMT. En este las pistas de un mismo lado de la placa llegan hasta donde se debe colocar el componente y este simplemente se instala posándolo encima de los pads de conexión y soldándolo, ya sea con estaño en hilo o pasta. Para este tipo de montaje los componentes tienen un empaquetado especial cuyas siglas en ingles son SMD, Surface mounting package. Tienen los terminales de conexión a su alrededor o debajo suya. Figura 4-6 diagrama del montaje de un componente SMD, https://www.electronicsnotes.com/articles/electronic_components/surface-mount-technology-smd-smt/what-is-smt-primer-tutorial.php • Solder: pasta para soldar o estaño. • Componente body: cuerpo del componente • Component contact: terminales del componente Este empaquetado también suele ser mucho más pequeño que el mismo componente en THM, lo que junto con no tener que taladrar la placa, hace placas mucho más pequeñas con el mismo número de componentes o para el mismo tamaño de placa tenemos una mayor cantidad de componentes; o lo que es igual, conseguimos mayor densidad de elementos. Figura 4-7 Comparación de condensadores SMD a la izquierda y 2 THM a la derecha https://en.wikipedia.org/wiki/File:Photo-SMDcapacitors.jpg Recapitulando tenemos de ventajas: Implementación de un sistema para pruebas experimentales de convertidores electrónicos básicos de potencia con aplicaciones en navegación aérea AMADOR MARTÍNEZ RAFIQ 4 REALIZACIÓN DE LOS CIRCUITOS IMPRESOS 21 • Tamaño reducido, placas más densas • Mayores velocidades alcanzables en cuanto a señales • Montaje y fabricación más rápidos y baratos • Ausencia de taladros, hace las placas más baratas Por otro lado, algunos de los inconvenientes: • Conexiones mecánicamente más débiles • Menor capacidad de absorción de calor en aplicaciones de potencia Figura 4-8 Ejemplo de componentes SMD ya montados, incluyendo un circuito integrado https://pixabay.com/photos/pcb-printed-circuit-board-4002378/ 4.1.2 Conexiones verticales, Vías Ya hemos cubierto conexiones en planos horizontales y el montaje de componentes, ahora nos queda ver cómo realizar conexiones verticales en placas de más de 1 capa. Algunas características que presentamos aquí son propias de placas multicapas de más de 2 capas. Las vías se tratan de unos orificios los cuales tiene sus laterales cubiertos cobre y permiten la conexión entre pads de dos capas distintas. Encontramos 3 tipos de vías: • Agujero pasante, through hole: conectan las dos capas más externas de la placa, atravesando la placa por completo. El número 1 en la siguiente imagen. • Vía ciega, blind via: es una vía que comienza en una capa externa de la placa, pero conectan con una capa interna de la placa, siendo así visible solo desde uno de los lados externos de la placa. El número 2 en la siguiente imagen. • Vía enterrada, burried via: conecta dos capas internas de la placa y no es visible desde el exterior. El número 3 en la siguiente imagen. Figura 4-9 Tipos de vías en un PCB, https://en.wikipedia.org/wiki/File:Via_Types.svg Implementación de un sistema para pruebas experimentales de convertidores electrónicos básicos de potencia con aplicaciones en navegación aérea AMADOR MARTÍNEZ RAFIQ 22 4 REALIZACIÓN DE LOS CIRCUITOS IMPRESOS El cobre suele añadir a los orificios mediante un proceso llamado galvanoplastia. Consta de aplicar una corriente eléctrica mientras la placa y un trozo de cobre están sumergidos en una solución salina, adhiriendo el cobre a la placa. En las vías podemos encontrar 3 partes principales: • El propio orificio vertical con material conductor. • Pad: conexión de la vía con uno de los planos, componentes o pista. • Antipad: espacio libre entre el orificio y un plano que no requiere conexión, aislándolo de ese plano. 4.2 Métodos de Fabricación Para llegar a tener la placa con las pistas colocadas podemos seguir varios procedimientos. Los más comunes se basan en la substracción de material de una placa continua de cobre. Una vez tenemos el diseño deseado ya listo, hemos de transferir ese diseño a la placa que todavía se trata de un plano continuo de cobre. Para esto tenemos varias maneras. Cuando el volumen a producir es elevado, predominan dos técnicas. Para empezar, podemos utilizar impresión seriográfica con tinta que resiste el atacado del ácido posterior. Esta se utiliza cuando no precisamos de un gran detalle en el diseño. En segundo lugar, tenemos el fotograbado el cual utiliza una lámina fotosensible y una máscara con el diseño. Esto se somete a luz UV (ultravioleta) dejando así la lámina protectora que posteriormente permitirá que el diseño se quede grabado tras el atacado de ácido. Este método se utiliza cuando se requiere un gran nivel de detalle a la hora de realizar las placas. Figura 4-10 Diagrama del proceso de fotograbado, siendo nuestro casohttps://en.wikipedia.org/wiki/File:Photoresist_of_Photolithography.png Cuando sin embargo el volumen de producción es más reducido podemos recurrir a otros métodos. También podemos retirar el cobre de la placa mediante fresado. Se utilizan máquinas de control numérico, CNC (numerical control), como una fresa de 2 o 3 ejes que, usando brocas, van retirando material de placa. El proceso es previamente diseñado y cargado a la máquina. También tenemos un proceso muy similar pero que en vez de utilizar una broca se utiliza un láser. Estos procesos son utilizados principal mente para prototipado. Una vez tenemos el diseño transferido a la placa con un material protector, se sumerge la placa en ácido. Los Implementación de un sistema para pruebas experimentales de convertidores electrónicos básicos de potencia con aplicaciones en navegación aérea AMADOR MARTÍNEZ RAFIQ 4 REALIZACIÓN DE LOS CIRCUITOS IMPRESOS 23 ácidos más comúnmente utilizados son cloruro férrico o el sulfuro de amonio. El proceso de atacado del ácido puede ser lento, aunque hay maneras de acelerarlo un poco. Se pueden aplicar calor, agitarlo, inyectar aire para que se produzcan burbujas o incluso utilizar motores equipados con paletas para esparcir el ácido sobre la placa. Las zonas en las que vamos a soldar componentes es necesario que se metalicen con oro, estaño o níquel, para mejorar la capacidad de soldarlo. El siguiente paso es cubrir todas las partes que no se vayan a soldar con una capa protectora de epoxi. Este suele ser el tono verde, azul o negro que vemos en las placas. En la placa también se puede imprimir con serigrafía algo así como una plantilla o leyenda. Esto nos ayuda a saber la orientación de componentes, el estado de los interruptores o incluso el valor de los componentes. Por último, también existen métodos aditivos para la fabricación de placas. Se basan en añadir material donde es necesario en vez de retirar el que no es necesario. Para conseguir esto se añade una máscara que sensibiliza las partes que necesitan cobre. Esta máscara se adhiere a una placa de sólo substrato y posteriormente se somete a galvanoplastia, añadiendo así cobre sólo en las partes sensibilizadas. 4.3 Diseño Vamos a pasar a ver el diseño de las PCBs de nuestro trabajo. En nuestro caso los únicos componentes que estarán en circuito impreso serán el bloque de medida y el driver junto con el MOSFET. Para el diseño de estas placas vamos a utilizar el programa EAGLE, de AUTODESK. Es un programa ampliamente utilizado en muchas industrias en las que están presente el diseño de circuitos impresos. En nuestro caso utilizaremos la versión de estudiante. Se ha tenido en cuenta un criterio para todas las cajas que es intentar colocar todos los conectores hacia la izquierda para seguir alguna norma en cuanto a conexión. 4.3.1 Bloque de medidas Como hemos comentado anteriormente utilizaremos el LV 25-P y el LA 25-P, junto con el requerimiento de la resistencia adicional en el LV 25-P. Vamos a realizar 3 placas distintas, 2 en las que van los sensores por separado para que sean más versátiles y otra en la que van los dos sensores incorporados a una misma placa para conseguir que sean más compactos. Los circuitos de estos son muy sencillos, incluiremos: • El propio sensor • Las resistencias correspondientes • Pines de conexión para comprobar el correcto funcionamiento • Un conector RJ-45 para conectarlo con la dSPACE • Los terminales de conexión para los puntos de medida del voltaje 4.3.1.1 Sensor de Voltaje Vamos a comenzar con la placa única con el sensor de voltaje. Los componentes que incluye esta placa son: Tabla 4–1. Componentes Medidor Voltaje Componente Nº necesarios Sensor LV 25-P 1 Conector RJ11 1 Conector 3X1 MOLEX 1 Reistencias 22kΩ 2 Implementación de un sistema para pruebas experimentales de convertidores electrónicos básicos de potencia con aplicaciones en navegación aérea AMADOR MARTÍNEZ RAFIQ 24 4 REALIZACIÓN DE LOS CIRCUITOS IMPRESOS El esquemático es el siguiente: Figura 4-11 Esquemático del sensor de voltaje Como podemos ver tenemos 4 orificios de montaje adicionales. En cuanto al RJ11, sus dos primeros pines son la alimentación positiva, el 3º y 4º son la alimentación negativa, y los dos últimos son la medida de voltaje en sí. La placa de este sería la siguiente: Figura 4-12 Placa del sensor de Voltaje, con todas las pistas colocadas y los orificios de montaje Figura 4-13 Principales elementos señalados del sensor de voltaje Implementación de un sistema para pruebas experimentales de convertidores electrónicos básicos de potencia con aplicaciones en navegación aérea AMADOR MARTÍNEZ RAFIQ 4 REALIZACIÓN DE LOS CIRCUITOS IMPRESOS 25 El tamaño de la placa en total es de 53x91mm y presenta pistas sólo en la capa inferior de ésta, estando todos los componentes en el lado superior. Para las pistas encontramos 3 tamaños distintos dependiendo de su posición y conexión en la placa. • Pistas de 76mil para el lado del sensor que toma la medida • Pistas de 50mil para la conexión del sensor con los puertos • Pistas de 32mil para la interconexión de los conectores RJ11 y MOLEX 4.3.1.2 Sensor de Corriente En segundo lugar, tenemos el sensor de corriente. Este caso es aún más sencillo debido a que no hay que hacerle modificaciones al cable en el que vamos a realizar la medida, basta con darle unas vueltas alrededor del arco superior del sensor y ya está. Los componentes de esta serán: Tabla 4–2. Componentes Medidor Corriente Componente Nº necesarios Sensor LA 25-P 1 Conector RJ11 1 Conector 3X1 MOLEX 1 En cuanto al esquemático será el siguiente: Figura 4-14 Esquemático Corriente Y la placa con los componentes y las pistas ya colocadas: Figura 4-15 Placa Corriente Implementación de un sistema para pruebas experimentales de convertidores electrónicos básicos de potencia con aplicaciones en navegación aérea AMADOR MARTÍNEZ RAFIQ 32 4 REALIZACIÓN DE LOS CIRCUITOS IMPRESOS Eso sería lo referente a la primera versión, en cuanto a la segunda y definitiva: Figura 4-27 Fotolito de la placa del driver, v2 Figura 4-28 Placa de Drivers sin componentes, v2, Top Figura 4-29 Placa de Drivers sin componentes, v2, Bottom Implementación de un sistema para pruebas experimentales de convertidores electrónicos básicos de potencia con aplicaciones en navegación aérea AMADOR MARTÍNEZ RAFIQ 4 REALIZACIÓN DE LOS CIRCUITOS IMPRESOS 33 Una vez recortado los retos de placa sobrantes, haciendo los taladros necesarios y soldando los componentes que corresponden con el esquemático, la placa quedó como a continuación. Sólo hubo un problema en el diseño que fue la tierra de uno de los circuitos integrados, que quedo en una isla y desconectada del resto lo que nos ocasionó varios problemas. Esto lo arreglamos soldando un cable entre la isla y el resto de plano de tierra. Figura 4-30 Placa de Drivers con componentes, v2, Top Figura 4-31 Placa de Drivers con componentes, v2, Bottom Para la placa del Diodo tenemos lo siguiente con los componentes ya soldados a falta de los conectores: Figura 4-32 Placa del Diodo, Top Implementación de un sistema para pruebas experimentales de convertidores electrónicos básicos de potencia con aplicaciones en navegación aérea AMADOR MARTÍNEZ RAFIQ 34 4 REALIZACIÓN DE LOS CIRCUITOS IMPRESOS Figura 4-33 Placa del Diodo, Bottom Implementación de un sistema para pruebas experimentales de convertidores electrónicos básicos de potencia con aplicaciones en navegación aérea AMADOR MARTÍNEZ RAFIQ 5 PLATAFORMAS DE MONTAJE 35 5 PLATAFORMAS DE MONTAJE e ha pretendido que todos los componentes sean montados sobre unas plataformas o sobre unas cajas, especialmente diseñadas para cada uno de los componentes. Esto viene del hecho de que este montaje se pretende que sea utilizado para alumnos de prácticas en clases de electrónica de potencia o similares y con estas cajas conseguiremos que el circuito sea más fácil de estudiar y más seguro. Esta será nuestra principal filosofía a la hora de diseñar las cajas. Además de esto se ha querido cuidar el aspecto en la medida de lo posible. Cada una de las cajas ha sido pensada acorde con el componente que va a alojar. Además de esto, se ha intentado que el cambio entre los distintos tipos de convertidores sea lo más sencillo posible. Una vez las cajas estén diseñadas se utilizará la tecnología de fabricación aditiva con impresión 3D para fabricarlas. Estos lo desarrollaremos más en profundidad en uno de los siguientes capítulos. En primer lugar, se pensó un diseño en el que todas las cajas son muy similares y más robusto. Las cajas serían del mismo tamaño todas con un formato de etiqueta en la parte superior. Para los componentes que requieran una mayor refrigeración se ha ideado un espacio completamente integrado en la caja para alojar un ventilador de 40x40mm. Ese ventilador se instalaría de forma que se extraiga el aire de la cavidad del componente. Otra premisa era que los componentes se pudieran ver lo máximo posible. Así se pretendía que todas las cajas fueran tapadas con una placa de metacrilato como compromiso entre visibilidad y seguridad. En cuanto al sistema de montaje se ha pensado en un sistema de taladros equiespaciados 1.5cm junto con unos tornillos metálicos o incluso impresos en 3D también. Figura 5-1 Versión inicial del primer diseño Una vez se tenía este diseño, se procedió a su impresión a forma de prototipo y para poder realizar unas pruebas iniciales sobre este. La primera de las pruebas fue comprobar si aguantaba mecánicamente algo de peso. Tras esto y algunas consideraciones de temperatura se cambió a este segundo diseño: S Implementación de un sistema para pruebas experimentales de convertidores electrónicos básicos de potencia con aplicaciones en navegación aérea AMADOR MARTÍNEZ RAFIQ 36 5 PLATAFORMAS DE MONTAJE Figura 5-2 Segunda versión de la caja inicial Como podemos ver se añadieron ranuras de ventilación al igual que un espacio adecuado para un ventilador que permitiría una ventilación activa. Además de esto las conexiones eléctricas se realizarían mediante un conector que adicionalmente sujetaría las cajas unidas entre sí. El conector es el siguiente: Figura 5-3 Conector mecánico y eléctrico Finalmente, este diseño se consideró de lo más robusto y completo. Sería un diseño propio para un producto final, no tanto para la realización de unas prácticas por parte de los alumnos. De esta manera se ha optado por cajas mucho más abiertas y visibles, lo cual mejora la ventilación, y personalizadas para cada componente en particular. 5.1 Características comunes a todas las plataformas Lo común a todas las cajas será las iniciales A.M.R. junto con el año de fabricación, 2019. De igual manera todas las cajas compartirán el mismo patrón para los orificios de ventilación, tratándose de hexágonos en los laterales de las cajas. En último lugar todas incluirán una abertura en la parte inferior para reducir el coste de fabricación relativo a tiempo y material, y también para ayudar de nuevo con la ventilación. Implementación de un sistema para pruebas experimentales de convertidores electrónicos básicos de potencia con aplicaciones en navegación aérea AMADOR MARTÍNEZ RAFIQ 5 PLATAFORMAS DE MONTAJE 37 Figura 5-4 Detalle de Iniciales en una de las cajas Figura 5-5 Detalle del patrón utilizado para la ventilación (1) Figura 5-6 Detalle del patrón utilizado para la ventilación (2) Implementación de un sistema para pruebas experimentales de convertidores electrónicos básicos de potencia con aplicaciones en navegación aérea AMADOR MARTÍNEZ RAFIQ 38 5 PLATAFORMAS DE MONTAJE Figura 5-7 Detalle visto desde debajo de un ejemplo de abertura inferior 5.2 Diseño de la caja para medidas En este caso el único requerimiento que tenemos es el mecánico, refiriéndonos a que aguante los esfuerzos mecánicos, y el de las conexiones de la propia placa que tienen que ser accesibles. Figura 5-8 Vista general de la caja para medidas Los distintos detalles de la caja están señalados en colores. En primer lugar y en azul tenemos los taladros para montar el policarbonato transparente que tapara la caja. En segundo lugar, en rojo tenemos los taladros para montar los soportes sobre los que irá montada la placa. En último lugar, en verde, tenemos los lugares en los que irán los conectores de banana a los que se conectarán los correspondientes cables para medir corrientes. Implementación de un sistema para pruebas experimentales de convertidores electrónicos básicos de potencia con aplicaciones en navegación aérea AMADOR MARTÍNEZ RAFIQ 5 PLATAFORMAS DE MONTAJE 39 Los agujeros para estas conexiones las podemos ver mejor en la siguiente foto: Figura 5-9 Detalle conexiones banana 5.3 Diseño de la caja para la placa de disparos De nuevo para esta placa los únicos requerimientos eran que soportase la placa correspondiente y que las conexiones fueran accesibles: Figura 5-10 Vista general de la caja del driver Aquí también tenemos los agujeros para el montaje tanto de la tapa como de los separadores que sujetaran la placa a la caja. Aparte de esto encontramos dos aberturas laterales para que sean accesibles los conectores banana de ambos drivers. 5.4 Diseño de la caja para el diodo En este caso la caja deberá alojar la placa que contiene el MOSFET que hará las veces de diodo. Implementación de un sistema para pruebas experimentales de convertidores electrónicos básicos de potencia con aplicaciones en navegación aérea AMADOR MARTÍNEZ RAFIQ 40 5 PLATAFORMAS DE MONTAJE Figura 5-11 Vista general de la caja para el diodo En esta caja hemos incluido el símbolo del diodio orientado de manera correcta al igual que un par de carteles con las palabras “Ánodo” y “Cátodo”, todo esto nos permitirá una conexión sencilla e intuitiva. En esta caja para poder reducir el espesor de las paredes los agujeros de montaje de la tapa se hicieron sobre material en voladizo. 5.5 Diseño de la caja para el condensador Esta caja simplemente tendrá que tener el condensador en su interior y un par de conectores hembra banana en sus laterales. Figura 5-12 Vista general de la caja del condensador Además de esto, tenemos que tener en cuenta que el condensador será electrolítico con el cual hay que tener mucho cuidado con la polaridad de conexión. Para esto se ha incluido una señal de atención en el lateral que se conectaría al polo negativo. Implementación de un sistema para pruebas experimentales de convertidores electrónicos básicos de potencia con aplicaciones en navegación aérea AMADOR MARTÍNEZ RAFIQ 5 PLATAFORMAS DE MONTAJE 41 Figura 5-13 Detalle de la señalización de polarización 5.6 Diseño de la caja para la bobina Esta caja no podía ser diseñada hasta que tuviéramos el componente concreto disponible, ya que este se hizo en particular para este proyecto. En esta caja también encontramos los dos puntos de conexiones banana, al igual que la placa sobre la que va pegada la bobina, está atornillada a la caja. Figura 5-14 Vista general caja de la bobina Implementación de un sistema para pruebas experimentales de convertidores electrónicos básicos de potencia con aplicaciones en navegación aérea AMADOR MARTÍNEZ RAFIQ 48 6 FABRICACIÓN Y MONTAJE DE LOS BLOQUES Figura 6-4 Impresora realizando la caja de medidas La caja una vez finalizada y con los separadores atornillados queda así: Figura 6-5 Caja de medidas impresa vista de frente Implementación de un sistema para pruebas experimentales de convertidores electrónicos básicos de potencia con aplicaciones en navegación aérea AMADOR MARTÍNEZ RAFIQ 6 FABRICACIÓN Y MONTAJE DE LOS BLOQUES 49 Figura 6-6 Caja de medidas impresa, vista lugar conectores Estas las podemos comparar con los modelos realizados en el apartado anterior. Una vez ya tenemos la placa con los componentes soldados y la versión definitiva de la caja podemos pasar a montarlos. Además, se utilizaron varios elementos adicionales: Tabla 6–2. Elementos empleados Elemento Unidades utilizadas Placa medidas completada 1 Caja medidas completada 1 Etiqueta conexiones 1 Separadores Nylon M4 4 Tornillos M3 2 Tornillos M4 4 Conectores Banana 2 Tapa policarbonato 1 Para este bloque tuvimos que colocarlo todo y atornillar los separadores, los conectores banana y los tornillos correspondientes. Aquí tenemos el resultado a falta de conectar el sensor de corriente. Implementación de un sistema para pruebas experimentales de convertidores electrónicos básicos de potencia con aplicaciones en navegación aérea AMADOR MARTÍNEZ RAFIQ 50 6 FABRICACIÓN Y MONTAJE DE LOS BLOQUES Figura 6-7 Bloque de medidas finalizado a falta de la tapa de policarbonato Una vez se colocó las conexiones del sensor de corriente y la tapa, tenemos el modelo finalizado. Figura 6-8 Bloque de medidas finalizado, vista de frente Implementación de un sistema para pruebas experimentales de convertidores electrónicos básicos de potencia con aplicaciones en navegación aérea AMADOR MARTÍNEZ RAFIQ 6 FABRICACIÓN Y MONTAJE DE LOS BLOQUES 51 Figura 6-9 Bloque de medidas finalizado, vista de lateral Figura 6-10 Bloque de medidas finalizada, vista inferior 6.4 Montaje del bloque para los disparos Para el bloque de disparos el procedimiento fue muy similar en cuanto a fabricación y montaje, ya que se trataba de otra placa de circuito integrado a la cual había que realizar conexiones desde fuera. Los datos de impresiones son los siguientes: Tabla 6–3. Impresiones de la caja de medidas Peso por unidad Tiempo por impresión Nº Intentos 80g 5h 3 Implementación de un sistema para pruebas experimentales de convertidores electrónicos básicos de potencia con aplicaciones en navegación aérea AMADOR MARTÍNEZ RAFIQ 52 6 FABRICACIÓN Y MONTAJE DE LOS BLOQUES Tabla 6–4. Elementos empleados Elemento Unidades utilizadas Placa disparos completada 1 Caja disparos completada 1 Etiqueta conexiones 1 Separadores Nylon M4 4 Tornillos M3 2 Tornillos M4 4 Tapa policarbonato 1 Montado todo tendríamos la versión final a emplear Figura 6-11 Bloque de disparos finalizado, vista frontal Figura 6-12 Bloque de disparos finalizado, vista lateral Implementación de un sistema para pruebas experimentales de convertidores electrónicos básicos de potencia con aplicaciones en navegación aérea AMADOR MARTÍNEZ RAFIQ 6 FABRICACIÓN Y MONTAJE DE LOS BLOQUES 53 Figura 6-13. Bloque de disparos finalizado, vista lateral Figura 6-14. Bloque de disparos finalizado, vista en planta sin tapa En esta última podemos ver cómo queda la etiqueta que nos da información acerca de la distribución de la placa. 6.5 Montaje del bloque para el diodo Este caso es más sencillo ya que no tenemos etiqueta alguna por estar esta incluida en la caja. Los datos de impresión son los siguientes: Tabla 6–5. Impresiones de la caja de medidas Peso por unidad Tiempo por impresión Nº Intentos 35g 2h 25min 3 Implementación de un sistema para pruebas experimentales de convertidores electrónicos básicos de potencia con aplicaciones en navegación aérea AMADOR MARTÍNEZ RAFIQ 54 6 FABRICACIÓN Y MONTAJE DE LOS BLOQUES Tabla 6–6. Elementos empleados Elemento Unidades utilizadas Placa diodo completada 1 Caja diodo completada 1 Separadores Nylon M4 4 Tornillos M3 4 Tornillos M4 4 Tapa policarbonato 1 El bloque una vez terminado queda así: Figura 6-15. Bloque de diodo terminado, vista frontal Figura 6-16. Bloque de diodo terminado, vista lateral Implementación de un sistema para pruebas experimentales de convertidores electrónicos básicos de potencia con aplicaciones en navegación aérea AMADOR MARTÍNEZ RAFIQ 6 FABRICACIÓN Y MONTAJE DE LOS BLOQUES 55 Figura 6-17. Bloque de diodo terminado, vista en planta 6.6 Montaje del bloque para la bobina La bobina que teníamos disponible estaba montada sobre un trozo de placa el cual hemos taladrado y realizado la rosca para después atornillarla a la caja. Los datos de impresión son los siguientes: Tabla 6–7. Impresiones de la caja de medidas Peso por unidad Tiempo por impresión Nº Intentos 114g 7h 45min 1 Tabla 6–8. Elementos empleados Elemento Unidades utilizadas Bobina taladrada 1 Caja bobina completada 1 Tornillos M3 4 Tuerca M3 4 Tapa policarbonato 1 Conectores banana 2 Figura 6-18. Bloque de bobina terminado, vista frontal Implementación de un sistema para pruebas experimentales de convertidores electrónicos básicos de potencia con aplicaciones en navegación aérea AMADOR MARTÍNEZ RAFIQ 56 6 FABRICACIÓN Y MONTAJE DE LOS BLOQUES Figura 6-19. Bloque de bobina terminado, vista lateral Figura 6-20. Bloque de bobina terminado, vista inferior de la sujeción 6.7 Montaje del bloque para el condensador Este bloque junto con el siguiente de la resistencia, no tiene una placa la cual atornillar a la caja o a un separador por lo que el montaje será algo distinto. Los datos de impresión son los siguientes: Tabla 6–9. Impresiones de la caja de medidas Peso por unidad Tiempo por impresión Nº Intentos 51g 3h 40min 2 Implementación de un sistema para pruebas experimentales de convertidores electrónicos básicos de potencia con aplicaciones en navegación aérea AMADOR MARTÍNEZ RAFIQ 6 FABRICACIÓN Y MONTAJE DE LOS BLOQUES 57 Tabla 6–10. Elementos empleados Elemento Unidades utilizadas Condensador 1 Caja condensador completada 1 Tornillos M3 4 Tornillos M4 4 Tapa policarbonato 1 Se decidió montar el condensador apoyado en una hendidura de su mismo diámetro y dejando los cables con una longitud tal que no diera lugar a que se moviera, ya que estos están atornillados a los conectores exteriores. Figura 6-21 Bloque de condensador finalizado, vista frontal Figura 6-22 Bloque de condensador finalizado, vista lateral 6.8 Montaje del bloque para la resistencia Este bloque es el que más tiempo llevo realizar debido a las complicaciones por alta temperatura que nos encontrábamos. Esto se vio reflejado también en los varios diseños que tuvimos que hacer. El requerimiento de esta caja es que pudiese aguantar entre 30-40 minutos una tensión razonable a la salida. Esta Implementación de un sistema para pruebas experimentales de convertidores electrónicos básicos de potencia con aplicaciones en navegación aérea AMADOR MARTÍNEZ RAFIQ 64 6 FABRICACIÓN Y MONTAJE DE LOS BLOQUES Como podemos ver la resistencia está sujeta a la madera mediante dos tornillos (señalados en verde) y a su vez la madera está sujetada a la caja mediante 3 tornillos (señalados en azul). Figura 6-35 Vista inferior del bloque de la resistencia ya finalizado Figura 6-36 Vista lateral del bloque de la resistencia ya finalizado Además de la forma de conexión podemos destacar que se aumentó el tamaño de la caja. Se aumentó 1cm el largo y en 4cm el ancho. Esto se hizo con el objetivo de tener un mayor volumen de aire para refrigerar al igual que para aumentar la distancia entre la resistencia y las paredes adyacentes. A diferencia de las otras cajas, esta tapa se montó en un plano más elevado con respecto al plano superior de la caja, así, conseguimos una ranura adicional para refrigeración y salida de aire. Los datos de la impresión son los siguientes: Implementación de un sistema para pruebas experimentales de convertidores electrónicos básicos de potencia con aplicaciones en navegación aérea AMADOR MARTÍNEZ RAFIQ 6 FABRICACIÓN Y MONTAJE DE LOS BLOQUES 65 Tabla 6–11. Impresiones de la caja de medidas Peso por unidad Tiempo por impresión Nº Intentos 260g 17h 15min 3 6.9 Montaje de los cables y su caja Para este proyecto, ya que se trata de algo para posteriormente ser utilizado por alumnos, intentamos hacerlo de la forma más limpia y ordenada posible. Para esto vamos a fabricar nuestros propios cables con conectores banana y de longitud reducida, 20 centímetros. En cuanto a la caja no necesitábamos nada en particular y optamos por una caja con dos compartimentos y de apertura con un mecanismo. Figura 6-37 Caja para el almacenamiento de los cables abierta Figura 6-38 Caja para el almacenamiento de cables cerrada El mecanismo de apertura funciona de tal manera que cuando giramos la tapa azul en un eje perpendicular a la mesa ambos compartimentos salen hacia fuera con un movimiento paralelo a la mesa. Los datos de la impresión son los siguientes: Implementación de un sistema para pruebas experimentales de convertidores electrónicos básicos de potencia con aplicaciones en navegación aérea AMADOR MARTÍNEZ RAFIQ 66 6 FABRICACIÓN Y MONTAJE DE LOS BLOQUES Tabla 6–12. Impresiones de la caja de los cables en sus distintas partes Peso por unidad Tiempo por impresión Nº Intentos 70g 2h 50min 1 275g 12h 1 40g 2h 1 93g 4h30 1 Implementación de un sistema para pruebas experimentales de convertidores electrónicos básicos de potencia con aplicaciones en navegación aérea AMADOR MARTÍNEZ RAFIQ 7 PRUEBAS PREVIAS 67 7 PRUEBAS PREVIAS n esta sección vamos a comentar las pruebas anteriores a poner alguno de los convertidores en marcha. Es necesario comprobar que estos bloques funcionen de manera adecuada cuando no están conectados a todo el conjunto para que una vez se conecte todo el proceso de comprobación de errores sea más rápido. 7.1 Pruebas del bloque de medidas Para comprobar que funcionaba de manera correcta, conectamos el puerto de medida de voltaje a la fuente de alimentación directamente y de igual manera para el de corriente. El sensor de medida se conectó a la placa de medidas M2C, el cual esencialmente nos adapta las medidas de los sensores hasta un conector BNC. Esta placa ya se encontraba disponible entre las herramientas para utilizar la dSPACE. El montaje que se hizo fue este: Figura 7-1 Montaje realizado para la prueba del sensor de tensión. El esquema de conexión es el siguiente: E Implementación de un sistema para pruebas experimentales de convertidores electrónicos básicos de potencia con aplicaciones en navegación aérea AMADOR MARTÍNEZ RAFIQ 68 7 PRUEBAS PREVIAS Figura 7-2 Diagrama de conexión para la prueba de medición de voltaje Figura 7-3 Placa M2C En la parte superior tenemos las entradas que son las medidas, a la izquierda la alimentación de la placa Aquí podemos ver un par de imágenes de las pruebas y el correcto funcionamiento del sensor. Las pruebas trataban de ver cómo iba cambiando la salida cuando cambiábamos las tensiones de medida. Figura 7-4 Prueba del sensor de voltaje a 0V Implementación de un sistema para pruebas experimentales de convertidores electrónicos básicos de potencia con aplicaciones en navegación aérea AMADOR MARTÍNEZ RAFIQ 7 PRUEBAS PREVIAS 69 Figura 7-5 Prueba del sensor de voltaje a 4V Figura 7-6 Prueba del sensor de voltaje a 7V Figura 7-7 Prueba del sensor de voltaje a 14V Comprobado su correcto funcionamiento está listo para usarse en el montaje final, previa calibración. Para esto, se realizará un ajuste en forma de recta, y=m*x+b. Para ello conectamos los sensores a la dSPACE y tomamos valores de medida para distintos valores de la fuente. Asi encontramos Implementación de un sistema para pruebas experimentales de convertidores electrónicos básicos de potencia con aplicaciones en navegación aérea AMADOR MARTÍNEZ RAFIQ 70 7 PRUEBAS PREVIAS • Para el sensor de tensión: o M= 148.3463 o B= -0.0037 • Para el de corriente: o M=2.09 o B= -0.0797 7.2 Pruebas del bloque de disparos Para probar el bloque de disparos utilizamos una fuente de alimentación para conectar a la placa y una señal de PWM con un duty que podamos seleccionar, a través de fibra óptica. Esta señal se generó con un DSP (Digital signal processor) para no tener que ocupar la dSPACE. Figura 7-8 DSP ya disponible en el laboratorio Así, la señal de D=0.8 generada a través de la fibra óptica y medida ya en la placa es: Figura 7-9 Señal de disparo que llega a la placa Como podemos ver que la escala está en 2V/divs, la señal tiene una amplitud de 5 V. La señal a la salida de los drivers es esta: Implementación de un sistema para pruebas experimentales de convertidores electrónicos básicos de potencia con aplicaciones en navegación aérea AMADOR MARTÍNEZ RAFIQ 7 PRUEBAS PREVIAS 71 Figura 7-10 Señal de disparo a la salida del driver En este caso podemos ver cómo estamos a 5/divs y la señal tiene una amplitud de 15V y de forma prácticamente idéntica. Por lo que podemos afirmar que la placa está en correcto funcionamiento. 7.3 Prueba del bloque de diodo Para probar el bloque del diodo primero se realizó un primer diseño en la placa de pruebas conectado a un generador de señales. Se introdujo una señal sinusoidal para comprobar que funcionase como un simple rectificador y nos quedásemos sólo con la parte positiva o negativa de la señal. Figura 7-11 Experimento para probar el funcionamiento del diodo Y el resultado al medir los en los terminales de la carga de prueba fue: Figura 7-12 Resultado de la prueba funcionando como diodo Implementación de un sistema para pruebas experimentales de convertidores electrónicos básicos de potencia con aplicaciones en navegación aérea AMADOR MARTÍNEZ RAFIQ 72 7 PRUEBAS PREVIAS Como podemos observar el funcionamiento es el adecuado y por lo tanto este bloque (mismo circuito simplemente montado en una PCB) es el que se implementará en las pruebas finales. Implementación de un sistema para pruebas experimentales de convertidores electrónicos básicos de potencia con aplicaciones en navegación aérea AMADOR MARTÍNEZ RAFIQ 8 PUESTA EN MARCHA 73 8 PUESTA EN MARCHA n este apartado vamos a ver el trabajo realizado en cuanto a software se refiere y la pruebas finales una vez está todo correcto. Este modelo de simulink que hemos diseñado, será compilado y mandado a la dSPACE. Posteriormente este se ejecutará. 8.1 Modelo de Simulink y programación El modelo de Simulink sobre el que nosotros hemos estado trabajando estaba anteriormente realizado por el compañero Fran. Este modelo tenía implementada la gran mayoría de características para funcionar. Entre ellas podemos encontrar un control PI implementado, suficiente para realizar el control del sistema. Nosotros implementamos algunas funciones adicionales, que incluían: • Selección, en marcha, independiente de voltaje deseado a la salida (Closed loop) y de Duty Cycle deseado (Open Loop) • Selección, en marcha, del modo de funcionamiento: Closed loop u Open Loop • Indicador luminoso del estado en el que nos encontramos. • Gráficas adicionales y de estética cambiada. • Condiciones de seguridad adicionales. El esquema más general del modelo de simulink es el siguiente: Figura 8-1 Modelo simulink utilizado en su nivel más alto. En esta imagen abajo a la izquierda podemos ver dos de las nuevas variables de control que añadimos que son open loop la cual selecciona si queremos tener realimentación en el control o no y openduty la cual selecciona el duty cuando estamos en lazo abierto. Entre los límites de seguridad encontramos que el duty que calculamos no puede ni exceder 0.95 ni ser menor de 0.05. E Implementación de un sistema para pruebas experimentales de convertidores electrónicos básicos de potencia con aplicaciones en navegación aérea AMADOR MARTÍNEZ RAFIQ 80 8 PUESTA EN MARCHA Figura 8-16 Mismo resultado que la figura anterior pero medido directamente con el osciloscopio Figura 8-17 Resultado del cambio de la referencia de duty=0.2 a 0.35 Figura 8-18 Mismo resultado que la figura anterior pero medido directamente con el osciloscopio Implementación de un sistema para pruebas experimentales de convertidores electrónicos básicos de potencia con aplicaciones en navegación aérea AMADOR MARTÍNEZ RAFIQ 8 PUESTA EN MARCHA 81 Figura 8-19 Resultado del cambio de la referencia de 12V a 20V Figura 8-20 Mismo resultado que la figura anterior pero medido directamente con el osciloscopio Figura 8-21 Resultado del cambio de la referencia de 25V a 35V Implementación de un sistema para pruebas experimentales de convertidores electrónicos básicos de potencia con aplicaciones en navegación aérea AMADOR MARTÍNEZ RAFIQ 82 8 PUESTA EN MARCHA Figura 8-22 Mismo resultado que la figura anterior pero medido directamente con el osciloscopio Figura 8-23 Resultado del cambio de la referencia de 35V a 49V Figura 8-24 Mismo resultado que la figura anterior pero medido directamente con el osciloscopio Implementación de un sistema para pruebas experimentales de convertidores electrónicos básicos de potencia con aplicaciones en navegación aérea AMADOR MARTÍNEZ RAFIQ 8 PUESTA EN MARCHA 83 Figura 8-25 Resultado del cambio de la referencia de 49V a 50V y salto de emergencia Como podemos observar en las imágenes el sistema se comporta de la forma esperada, incluido el paro por emergencia. 8.5 Pruebas de la configuración Reductor-Elevador (Buck-Boost) • Cambios en la referencia en lazo abierto con una alimentación de 10V: o De un duty de 0 a 0.1 o De 0.2 a 0.3 • Cambios en la referencia en lazo cerrado con entrada de 10V o De parado (Stop) a 7V. (Reductor) o De 12V a 7V. (Elevador/Reductor) o De parado a 13V (Elevador) Figura 8-26 Resultado del cambio de la referencia de duty=0 a 0.1 Implementación de un sistema para pruebas experimentales de convertidores electrónicos básicos de potencia con aplicaciones en navegación aérea AMADOR MARTÍNEZ RAFIQ 84 8 PUESTA EN MARCHA Figura 8-27 Mismo resultado que la figura anterior pero medido directamente con el osciloscopio y en permanente Figura 8-28 Resultado del cambio de la referencia de duty=0.2 a 0.3 Figura 8-29 Resultado del cambio de la referencia de parado a 7V Implementación de un sistema para pruebas experimentales de convertidores electrónicos básicos de potencia con aplicaciones en navegación aérea AMADOR MARTÍNEZ RAFIQ 8 PUESTA EN MARCHA 85 Figura 8-30 Resultado del cambio de la referencia de 12V a 7V Figura 8-31 Mismo resultado que la figura anterior pero medido directamente con el osciloscopio Figura 8-32 Resultado del cambio de la referencia de parado a 13V Implementación de un sistema para pruebas experimentales de convertidores electrónicos básicos de potencia con aplicaciones en navegación aérea AMADOR MARTÍNEZ RAFIQ 86 8 PUESTA EN MARCHA Se han hecho todas estas pruebas en este caso para comprobar su buen funcionamiento tanto en forma de elevador como de reductor. El sistema funciona de manera adecuada en ambos casos y la parada funciona de manera adecuada. Implementación de un sistema para pruebas experimentales de convertidores electrónicos básicos de potencia con aplicaciones en navegación aérea AMADOR MARTÍNEZ RAFIQ 9 ESTUDIO ECONÓMICO 87 9 ESTUDIO ECONÓMICO n este apartado vamos a realizar un pequeño análisis de los gastos en los que se ha incurrido y en los que se podría haber incurrido en la realización de este trabajo. 9.1 Costes de impresión 3D Aquí tenemos dos costes distintos: costes de material y coste por tiempo de maquinaria. Este último se va a calcular, pero no se tendrá en cuenta ya que la impresora era propiedad del alumno. Para hacer este cálculo lo único que vamos a necesitar son las tablas del apartado 6 y el coste de material. Cogiendo datos de estas nos queda la siguiente tabla Tabla 9–1. Recopilación datos impresión en total Impresión Material por unidad Tiempo por impresión Nº Intentos Tiempo total Material total Medidas 120g 6h 45min 4 27h 0min 480g Disparos 80g 5h 0min 3 15h 0min 240g Diodo 35g 2h 25min 3 7h 15min 105g Bobina 114g 7h 45min 1 7h 45min 114g Condensador 51g 3h 40min 2 7h 20min 102g Resistencia 260g 17h 15min 3 51h 15min 780g Etiquetas 5g 0 h 50min 7 5h 50min 35g Caja cables 478g 21h 20min 1 21h 20min 478g Total 143h 0min 2334g Una vez tenemos estos datos, valoramos material y tiempo de impresión. Para material el kg de este plástico es 25€, por lo que, 2.334kg*25€/kg= 58.35 €. En cuanto al tiempo de impresión, la forma de valorarlo puede variar mucho según la empresa. En nuestro caso vamos a valorar cada hora de impresión por igual y sin ninguna tarifa de comienzo de la máquina. Así, 143h*1.3€/h=186 € Además de esto tenemos el coste en cuanto a materiales referentes a las placas que se fabricaron y los componentes. E Implementación de un sistema para pruebas experimentales de convertidores electrónicos básicos de potencia con aplicaciones en navegación aérea AMADOR MARTÍNEZ RAFIQ 88 9 ESTUDIO ECONÓMICO Tabla 9–2. Recopilación datos materiales p lacas y componentes Componente Unidades Precio/unidad Coste Total Sensores LV 25P 2 62.0 € 124 € Sensores LA 25P 2 31.0 € 62 € Drivers 2 3.5 € 7 € Conectores Fibra Óptica 3 10.0 € 30 € Resistencias varias 1 2.0 € 2 € Puertas lógicas 2 0.5 € 1 € Componentes SMD 1 1.0 € 1 € Placa de fabricación PCB 4 8.0 € 32 € Resistencia 300W 1 35.0 € 35 € Condensador 1µF 1 1.0 € 1 € Herrajes (tornillos, tuercas, etc.) 1 5.0 € 5 € Total 300€ Así en total en materiales tendríamos, 58.35 €+300 €=358.35 €, sin contabilizar el tiempo de impresión ni los equipos utilizados. En cuanto a los equipos que se utilizaron estaban todos disponibles en el laboratorio. Vamos a listar algunos de ellos para dar una idea de lo que se utilizó para llevar a cabo este proyecto: • Osciloscopio Tektronix TBS 1102B-EDU: 1258.4 € • Set de herramientas: 60 € • Estación de soldadura: 188.76 € • Taladro con soporte: 200 € • Generador de señales Tektronix: 4600 € • Cámara Termográfica Fluke TI300: 7000 € • Multímetro Fluke: 300 € Implementación de un sistema para pruebas experimentales de convertidores electrónicos básicos de potencia con aplicaciones en navegación aérea AMADOR MARTÍNEZ RAFIQ 10 RESULTADOS Y TRABAJOS FUTUROS 89 10 RESULTADOS Y TRABAJOS FUTUROS n este apartado vamos a hacer un pequeño resumen de todas los resultados obtenidos y vamos a definir algunos trabajos futuros posibles. 10.1 Resultados obtenidos En este trabajo se ha expuesto como hemos ido realizando el trabajo desde cero, partiendo de componentes básicos y llegando a tres convertidores funcionales. Ha sido un proceso en el que hemos tocado muchas ramas distintas, desde el estudio de convertidores a la fabricación de placas o las simulaciones en tiempo real de la dSPACE. Todo este montaje modular y en funcionamiento servirá de gran ayuda en tareas didácticas. El diseño, tanto de software como de hardware, has sido pensado alrededor de la idea de que posteriormente va a ser utilizado por alumnos. Hemos logrado varias características para hacer esto posible: un sencillo método de conexión o controles muy intuitivos juntos al manual. Además de esto, didácticamente también ofrece muchas ventajas debido a la facilidad para desarrollar nuevos módulos y nuevas aplicaciones de la interfaz También hará posible un mayor estudio de los sistemas eléctricos que si irán implementando cada vez más a menudo en las aeronaves. Tendremos la oportunidad de investigar y aprender acerca de lo que la iniciativa MEA pretende (More Elecetric Aircraft), pudiendo ver sistemas electrónicos de potencia de manera segura. Este proyecto será también de vital importancia para los estudios de electrónica embarcada debido a que todos estos funcionan con energía eléctrica y por lo tanto tienen una componente de electrónica de potencia detrás. Como resultado de las pruebas finales podemos ver que el circuito se comporta adecuadamente en todo el rango de operación y en todas las configuraciones. También podemos observar el adecuado funcionamiento del software al saltar las emergencias y poder actuar sobre todos los selectores incluidos. En cuanto al trabajo de laboratorio las tareas que llevaron más tiempo fueron las pruebas de la caja de la resistencia, el depurado de la programación, así como los modelos de Simulink, y poner la placa de disparos en funcionamiento. Además de poner el circuito en funcionamiento se ha realizado un manual de usuario para que los alumnos que vayan a utilizarlo tengan más facilidad en el aprendizaje y los profesores tengan una guía en la que apoyarse. Ese manual contiene lo esencial para poner en funcionamiento el circuito. 10.2 Trabajos futuros Como posibles avances futuros para este trabajo encontramos varios. El primero de ellos es añadir un sistema de ventilación activo para la resistencia. Esto nos permitiría alcanzar mayores voltajes a la salida, aumentando así el rango de funcionamiento del sistema dentro de unos márgenes de temperatura de seguridad. Otro frente por el que avanzar es añadir más aplicaciones ya sean de software o de hardware relacionadas también con el concepto MEA. Como hardware podríamos encontrar un control del consumo de potencia o la eficiencia del sistema, u otro equipo adicional como unos motores conectados a la salida. En cuanto al software podríamos ver una interfaz más propia de aviación, un controles y paradas de emergencia propios de la aviación. Si se aumenta el rango de funcionamiento también se debería repasar el control y ver que para valores mayores sigue funcionando correctamente. Un segundo avance podría ser añadir más sensores como por ejemplo de temperatura en la salida para que ante una lectura demasiado elevada se desactivase el sistema o se iniciase la ventilación activa. E