Inversor para uso doméstico en vehículos automóviles

Proyecto Final de Carrera:
Inversor para uso doméstico en vehículos
automóviles
TITULACIÓN: Ingeniero Técnico Industrial esp. Electrónica Industrial
AUTOR: Alicia de Blas Romero
DIRECTOR: Javier Maixé Altés
TUTOR LEAR: Yann Darroman
FECHA: Septiembre 2006
El trabajo que se presenta en el siguiente proyecto final de carrera se ha
realizado mediante la segunda edición del “Premi LEAR a la innovació Tecnològica”
durante el curso académico 2005/2006 convocado por la Fundació Ciutat de Valls y la
Empresa LEAR Corporation. Este trabajo se ha desarrollado en el Centro Tecnológico
Europeo (CTE) de Lear en Valls con el apoyo y supervisión de un tutor por parte de la
empresa, el Dr. Yann Darroman y un tutor por parte de la Universidad Rovira i Virgili,
el Dr. Javier Maixé.
Debido a que este proyecto contiene información confidencial, según la
normativa de projectes fi de carrera (ETI_E, ETI-EI, EAEI) (aprovat en Junta de Centre
el 30 de maig del 2003) se han tenido que redactar dos tipos de documentos. A
continuación se muestra la versión reducida que se presentará en la biblioteca de la
universidad, la cual consta de una introducción en la que se presenta el contenido del
documento original. También se añade un anexo en el que se recoge íntegramente el
índice del documento original y la bibliografía.
El documento original es propiedad de LEAR Corporation y la dirección de
contacto es la siguiente:
LEAR Automotive (EEDS) Spain S.L.
C/ Fusters nº 54-56
C.P. 43800
Valls (Tarragona)
977617100
Inversor para uso doméstico en vehículos automóviles
ANEXOS
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1. INTRODUCCIÓN
El consumo eléctrico de los automóviles, ha ido creciendo en el transcurso de los años. Al
inicio de una manera suave, hasta finales de los años 50; y posteriormente, coincidiendo con el
establecimiento de la batería de 12 V como el standard de alimentación, con un crecimiento mayor
para responder a las exigencias crecientes de confort y seguridad.
A mediados de 1950 el consumo máximo de potencia era de 400W, mientras que se prevé
que para el 2010 se necesite una potencia media de 2,5kW. Esto es debido a la presencia cada vez
mayor de la electrónica en el automóvil, la cual conlleva al incremento de prestaciones en el
vehículo.
Hasta el momento con el standard de alimentación de 12V han ido apareciendo equipos
específicos para ser conectados a la batería del coche, cargadores de móviles, GPS, etc. Estos
dispositivos han tenido que ser adaptados a la alimentación específica del coche, tensión continua,
diferente del estándar domestico de alterna. Para facilitar la interconexión entre estos dos mundos
ha aparecido lo que comercialmente se conoce como inversor domestico.
El concepto de inversor doméstico hace referencia a un dispositivo para el mundo del
automóvil que sea capaz de convertir la salida de tensión continua de la batería en tensión alterna a
220V / 50Hz para poder conectar toda clase de aparatos eléctricos convencionales, ordenadores
portátiles, herramientas eléctricas, etc.
2. OBJETIVO DEL PROYECTO
El objetivo principal de este proyecto, es el estudio de la viabilidad de un Inversor para uso
doméstico en vehículos automóviles.
En este proyecto analizaremos las soluciones para convertir la tensión en vehículos no
híbridos de 12VDC a 220Vrms con potencias de salida que van de 200W a 1000W. Las soluciones
para vehículos híbridos de 300VDC a 220Vrms. Y por último lo que se conoce como Inversor
Universal.
El proyecto constará en primer lugar de un estudio comparativo de los diferentes bloques
que forman un Inversor Doméstico, para llegar a la conclusión de que topología debe ser utilizada
en cada caso.
Seguidamente se pasará a la elección de componentes que satisfagan las necesidades
exigidas.
Se concluirá el análisis del inversor con las simulaciones pertinentes y la verificación de los
componentes y del correcto funcionamiento del inversor.
Finalmente, analizaremos la tasa de fallos del dispositivo para vehículos híbridos, mediante
la técnica conocida como FTA. Y se realizará un pequeño presupuesto para ambos dispositivos.
Inversor para uso doméstico en vehículos automóviles
ANEXOS
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3. DESCRIPCIÓN DE LOS BLOQUES DEL SISTEMA
El diagrama de bloques que utilizaremos para nuestro dispositivo es el siguiente:
Fig.1 Diagrama de Bloques del Inversor Doméstico
Consiste en un filtro de entrada, un bloque dc/dc para elevar la tensión de la batería, un
bloque dc/ac con el que invertir la tensión y por último un filtro de salida.
FILTRO DE ENTRADA:
Un problema inherente al sistema convencional es que la tensión de la batería puede variar
en márgenes muy amplios (10V-16V), que son los mismos a los que tienen que trabajar las cargas
que se conectan a ella. De esta manera, al tener que funcionar las distintas cargas en un margen
amplio de tensión repercute encareciendo las mismas.
Si consideramos la batería ideal, no haría falta introducir este bloque en nuestro diseño.
MODULO DC/DC:
Este bloque hará la conversión de tensión continua a continua. Elevará los 12VDC de la
batería a 311VDC (regulados) que serán usados como entrada para el bloque DC/AC. En el caso de
vehículos híbridos al partir de alta tensión no hará falta la presencia de este bloque.
MODULO DC/AC:
Este bloque hará la conversión de corriente continua a alterna.
Lo que conocemos como electricidad doméstica para Europa corresponde a 220-230Vrms a
la frecuencia de 50 Hz, mientras que para América es de 110-120Vac a 60 Hz.
FILTRO DE SALIDA:
Este filtro será necesario para conseguir una señal de salida senoidal más pura.
Inversor para uso doméstico en vehículos automóviles
ANEXOS
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Anexo 1: ÍNDICE
1. INTRODUCCIÓN.......................................................................................................................... 4
2. OBJETIVOS DEL PROYECTO.................................................................................................... 4
3. DESCRIPCIÓN DE LOS BLOQUES DEL SISTEMA................................................................. 5
4. ESTUDIO DEL MÓDULO DC/DC............................................................................................... 6
4.1. Topologías Sin Aislamiento Galvánico.......................................................................... 6
4.2. Topologías Con Aislamiento Galvánico......................................................................... 8
4.3. Comparativa entre las Diferentes Topologías............................................................... 10
4.3.1. Convertidor Push-Pull................................................................................... 11
4.3.2. Convertidor Medio Puente........................................................................... 16
4.3.3. Convertidor Puente/H-Bridge....................................................................... 18
4.4. Métodos de Control de Convertidores DC/DC............................................................. 20
4.4.1. Control en Lazo Abierto................................................................................ 20
4.4.2. Control en Lazo Cerrado............................................................................... 20
4.4.2.1. Control en Modo Tensión............................................................. 21
4.4.2.2. Control en Modo Corriente........................................................... 23
5. ESTUDIO DEL MÓDULO DC/AC (INVERSOR)……………………..................................... 24
5.1. Topología Inversor Monofásico Medio Puente................................... ......................... 25
.
5.2. Topología Inversor Monofásico Puente Completo / H-Bridge..................................... 26
5.3. Modulación Senoidal de Anchura de Pulso (SPWM)......................... ......................... 30
..
5.3.1. SPWM Bipolar / Anti-phasal diferencial...................................................... 32
5.3.2. SPWM Unipolar / Co-Phasal........................................................................ 35
5.3.3. Conclusión.................................................................................................... 36
5.4. Parámetros de Calidad.................................................................................................. 37
5.5. Salida de un Inversor: Senoide Pura, Senoidal Modificada u Onda Cuadrada............. 37
6. ANÁLISIS Y DISEÑO DEL INVERSOR DOMÉSTICO 12/220 50Hz..................................... 40
6.1. DISEÑO DEL CONVERTIDOR DC/DC ELEVADOR.............................................. 40
6.1.1. Topología usada............................................................................................ 40
Inversor para uso doméstico en vehículos automóviles
ANEXOS
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6.1.2. Especificaciones............................................................................................ 41
6.1.3. Consideraciones previas................................................................................ 42
6.1.4. Elección de Componentes............................................................................ 44
6.1.4.1. Transformador............................................................................... 44
6.1.4.2. Transistores................................................................................... 47
6.1.4.3. Diodos........................................................................................... 48
6.1.4.4. Bobina........................................................................................... 49
6.1.4.5. Condensadores.............................................................................. 50
6.1.4.6. Diseño del Controlador PWM en Modo Corriente....................... 51
6.1.5. Simulaciones del Convertidor DC/DC.......................................................... 54
6.2. DISEÑO DEL INVERSOR DC/AC............................................................................. 57
6.2.1. Topología usada............................................................................................ 57
6.2.2. Especificaciones............................................................................................ 58
6.2.3. Consideraciones Previas............................................................................... 58
6.2.4. Elección de Componentes............................................................................. 60
6.2.4.1. Transistor...................................................................................... 60
6.2.4.2. Filtro LC........................................................................................ 61
6.2.5. Simulaciones del Inversor DC/AC................................................................ 62
6.2.5.1. SIMULACIÓN PWM Bipolar.................................................... 62
6.2.5.1.1 SPWM Bipolar Sin Filtro............................................... 62
6.2.5.1.2. SPWM Bipolar Filtro LC.............................................. 64
6.2.5.1.3. SPWM Bipolar Filtro en Modo Común........................ 65
6.2.5.1.4. SPWM Bipolar Filtro Completo o Butteworth............. 66
6.2.5.2. SIMULACIÓN PWM Unipolar.................................................. 68
6.2.5.2.1. SPWM Unipolar Sin Filtro........................................... 68
6.2.5.2.2. SPWM Unipolar Filtro LC............................................ 70
6.2.5.2.3. SPWM Unipolar Filtro en Modo Común...................... 72
6.2.5.2.4. SPWM Unipolar Filtro Completo o Butteworth........... 73
6.2.6. Conclusiones................................................................................................. 75
6.3. MÉTODO INTERLEAVING (12/220-1000W)………………................................... 78
Inversor para uso doméstico en vehículos automóviles
ANEXOS
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7. ANÁLISIS Y DISEÑO DEL INVERSOR DOMÉSTICO 300Vdc / 220Vac 50Hz................... 80
7.1. DISEÑO DEL INVERSOR DC/AC............................................................................. 80
7.1.1. Topología usada............................................................................................ 80
7.1.2. Especificaciones............................................................................................ 80
7.1.3. Descripción del Inversor............................................................................... 81
7.1.4. Esquemáticos.................................................................................................83
7.1.5. FTA/FMEA................................................................................................... 87
7.1.5.1. Funciones principales del inversor................................................ 90
7.1.5.2. FTA Domestic Inverter (HV (300Vdc) into 220Vac)………….. 91
8. INVERSOR DOMÉSTICO UNIVERSAL 300Vdc / 110Vac 60Hz o 220Vac 50Hz ......…….. 99
9. ESTUDIO ECONÓMICO APROXIMADO…………………………………………………. 100
10. SÍMBOLOS Y ABREVIATURAS…………………………………………………………. 103
11. BIBLIOGRAFÍA…………………………………………………………………………….. 104
Inversor para uso doméstico en vehículos automóviles
ANEXOS
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Anexo 2: BIBLIOGRAFÍA
[1] Muhammad H.Rashid “Electrónica de Potencia. Circuitos, dispositivos y aplicaciones” (3ª
Edición, Pearson Educacion - Prentice Hall, Mexico 2004) (904 pag) ISBN: 970-26-0532-6
[2] Daniel W.Hart “Electrónica de Potencia”(Prentice Hall)(472 pag) ISBN:84-205-3179-0
[3] Christophe P.Basso “Switch-Mode Power Supply SPICE Cookbook” (McGraw-Hill, 2001
USA) (263 pag) ISBN: 0-07-137509-0 CD-ROM TO ACCOMPANY
[4] Keith Billings “Switch mode Power Supply Handbook” (2nd Edition McGraw Hill, 1999) (669
pag) ISBN: 0-07-006719-8
WEBS:
- Convertidores CC-CA: (Lección 6: Inversores PWM Electrónica de Potencia) 5º Curso de
Ingeniería Superior Industrial Universidad de Oviedo. Adaptado a partir de la lección de oposición
de Jose A. Villarejo: http://www.ieee-pels-spanish-chapter.org
- Convertidores Continua/ Continua: Topologías básicas. Area de Tecnología Electrónica de la
Universidad de Oviedo
- Complementos de Electrónica de Potencia. Vicente Díaz.
http://www.depeca.uah.es/docencia/ITI-EI/cep/
- Electrónica de Potencia I (Dispositivos), Electrónica de Potencia II (Convertidores). Leopoldo
García Franquelo y José Luis Mora Giménez. http://www.gte.us.es/~leopoldo/
- Educypedia: The educational encyclopedia.
SMPS http://users.pandora.be/educypedia/electronics/powerelectronicssmps.htm
- www.unitrode.es Circuitos de control. Artículos.
ARTICULOS:
- “Battery Chargers for Electric and Hybrid vehicles” and “DC-to-DC converters for Electric and
Hybrid vehicles” Iftikhar A.Khan
- “A compact DC/AC invertir for autmotive application” Itsada Boonyaoonate and Shinsaku Mori
- “A Phase-Shifted Zero Voltaje Transition Full-Bridge Converter with Current Doubler
Synchronous Rectification” H.J. Chiu, L.W. Lin, Y.C. Su and S.C. Mou
- “Designing a Phase Shifted Zero Voltaje Transition (ZVT)” Bill Andreycak. Unitrode
Corporation
- Designing Review: 500Wat, 40W/in3 Phase Shifted ZVT Power Converter” Bill Andreycak.
Unitrode Corporation