presentación final proyecto electrónico

Proyecto Electrónico - Presentación Final

“Selección de topología, diseño e implementación de acondicionador de potencia tipo fuente de

corriente para generación fotovoltaica.”

Profesor guía: Sr. Leonardo Palma F.

Profesor de asignatura: Sr. Alejandro Rojas N.

Alumno: Sr. Andrés Paiva Medina

Universidad de Concepción Departamento de Ingeniería EléctricaFacultad de Ingeniería

Planteamiento del problema Energía fotovoltaica:

Paneles solares actúan como “fuente de corriente”

Dependen de temperatura, radiación solar incidente

Topología típica:

Planteamiento del problema Seguimiento de máxima potencia:

A realizar Selección de topología de convertidor: Sin aislamiento galvánico Buck

Boost

Buck-Boost

Con aislamiento galvánico Forward

Flyback

Push-Pull

Medio Puente

Puente Completo

A realizar Diseño y simulación de convertidores

Cálculo de elementos de almacenaje de energía

Dimensionamiento de semiconductor(es)

Control

Alcance del Proyecto Electrónico: Control mediante una DSP (Digital Signal Processor), pruebas con Generador de Funciones

Consideraciones de Selección y Diseño

Niveles de potencia, voltajes y corrientes de entrada:

Prototipo 1 [kW]

Arreglo de paneles (Voltaje de entrada) 48 [V]

Corrientes =

Niveles de voltajes y corrientes de salida:

PIN = POUT + PPÉRDIDAS POUT = PIN*η

Voltaje para enlace AC 3φ: 380*sqrt(3) = 657 [V]

Ganancia de Tensión =

1000 [ ]20.83 [ ]

48 [ ]

WA

V

657 [ ]13.7 [ . .]

48 [ ]

OUT

IN

Vp u

V

Topología: Comparación Convertidores DC/DC sin aislamiento galvánico

Buck:

Vout = D*Vin

Ventajas: Alta eficiencia Bajo ripple de salida (Filtro LC) No invierte la polaridad de voltaje Hasta 1000 [W]

Desventajas: Ruido elevado a la entrada (Interrupción) Bajas potencias Reductor Rango de voltajes de entrada: 5 a 40 [V]


Boost:

Vout = (1/(1-D))*Vin

Ventajas: Bajo ruido en la entrada No invierte la polaridad de voltaje

Desventajas: Bajos voltajes y potencias: 150 [W], a 40 [V] Switch soporta elevada tensión Voltaje de salida muy sensible a los cambios de D, especialmente con D

cercano a los extremos [0, 1] Eficiencia es función de D


Boost:

Bobina no ideal (Electrónica de Potencia, pág. 232 – Daniel W. Hart)


Buck Boost:

Vout = (-D/(1-D))*Vin

Ventajas: Alta eficiencia Permite elevar y disminuir voltaje Control de disparo sencillo

Desventajas: Ruido elevado a la entrada Voltaje de salida muy sensible a los cambios de D, especialmente con D

cercano a los extremos [0, 1] Rangos de potencia y voltajes: 150 [W] a 40 [V]


Buck Boost:

Bobina no ideal (http://www.gte.us.es/~leopoldo/Store/tsp_14.pdf - Tema 14:

Convertidores DC/DC – Pág. - Ph.D Leopoldo García F. - Grupo de Tecnología Electrónica – Universidad de Sevilla )

Topología: Comparación Convertidores DC/DC sin aislamiento galvánico:

No serán capaces de soportar los valores de potencia y voltaje.

No serán capaces de otorgar una ganancia de voltaje superior a 4, y aún esa ganancia conlleva una pérdida en eficiencia sustancial (alrededor del 60%).

Topología: Comparación Convertidores DC/DC con transformador

(aislamiento)

Forward (Reductor)

Flyback (Elevador)

Push Pull (Reductor Elevador)

Medio Puente

Puente Completo

Topología: Comparación Convertidores DC/DC con transformador (aislamiento)

Forward Utilización del núcleo del transformador poco eficiente

Mala respuesta dinámica

Disparo sencillo del switch

Bajo ripple de salida

Permite ajustar tensión mayor en relación a las vueltas del primario y secundario


Flyback Utilización del núcleo del transformador poco eficiente

Disparo sencillo del switch


Permite ajustar tensión mayor en relación a las vueltas del primario y secundario

Reducido coste

Simpleza de construcción


Push Pull Utilización del núcleo del transformador eficiente (más pequeño)


Reducido coste

Simpleza de construcción

Posible desbalance del flujo.

Topología: Comparación Convertidores DC/DC con transformador (aislamiento) Medio Puente

Utilización del núcleo del transformador eficiente (más pequeño) Bajo ripple y ruido de salida Baja dispersión de flujo Filtros reducidos Corrientes elevadas en switches Adecuado para potencias hasta 500[W] y 1000[V] Baja eficiencia (73%)


Puente completo

Utilización del núcleo del transformador eficiente (más pequeño) Bajo ripple y ruido de salida Baja dispersión de flujo Baja eficiencia (alrededor del 73 - 75%) Adecuado para potencias mayores a 1[kW] y 660[V] Voltajes de hasta 1000 [V]

Topología: Comparación Cuadro comparativo

(Fuente: Pág. 25 - Memoria Ingeniería Técnica Industrial – Daniel E. Álvaro, Ph.D.Simón Dávila S. – Universidad Carlos III España)

Selección de ConvertidorEn base a la bibliografía existente, y

de común acuerdo con el ProfesorPatrocinante, se selecciona elConvertidor del tipo PuenteCompleto para ser simulado eimplementado.

Diseño y principio de funcionamiento

Convertidor Seleccionado

EtapaInversora

Transformador “High Frequency”

EtapaRectificadora

Inductor

(1) Etapa Inversora

• Almacenaje de Energía en el Inductor

• Anular el riesgo de desbalance en el Transformador.

• De preferencia, mínimas conmutaciones posibles.

(1) Etapa Inversora: Control de Pulsos


Normalmente los SW.1 y SW 4 operan idénticos, y complementarios a los SW.2 y SW.3.

Se utilizará una técnica distinta: Control por desfase de pulsos con ciclo de trabajo constante del 50%.

Ventajas: Permite cargar el inductor, generando dos cortocircuitos

controlados por cada período. Anula el riesgo de asimetría en el transformador. La frecuencia de la corriente vista desde el inductor es del

doble de la frecuencia nominal.

(1) Etapa Inversora: Corrientes (a)

Corriente: Recta ascendente

Rizado: Función de voltaje, inductancia, desfase y frecuencia.

(1) Etapa Inversora: Corrientes (b)

Corriente: Recta ascendente

Rizado: Función de voltaje, inductancia, desfase y frecuencia.

(1) Etapa Inversora: Corrientes (c) y (d)

(C) (D)

(1) Etapa Inversora: Voltaje

Función de Transferencia de voltaje:

(1) Etapa Inversora: Corriente

(1) Etapa Inversora: Snubber

(2) Transformador

(3) Rectificador

Diodos Rápidos: FR 307 Fast Recovery Diode1000 [V]. 3 [A] – trr = 500[ns] (2MHz)

(4) InductorFrecuencia de conmutación = 25 [kHz]

Desfase máximo asumido = 150°

Rizado de corriente = 5% de IL

LREAL = 635 [uH]

Simulación PSIM

Simulación

Simulación

0

-50

-100

-150

50

100

150

Vin Vprim

0.0999 0.09992 0.09994 0.09996 0.09998 0.1

Time (s)

0K

-0.5K

-1K

-1.5K

0.5K

1K

1.5K

Vsec Vout

Implementación

Transformador

Barrido de frecuencias

Frecuencia [kHz] Ganancia

20 5.7

30 6.0

40 6.1

45 6.1

50 6.2

130 7.4

Generación de Pulsos de Control

DSP de Texas Instruments “C2000 – f28335”.


cc = ticcs

cc.open(‘control’,’project’)

cc.visible(1)

checkEnvSetup(‘ccs’, ‘f28335’, ‘check’)

1ra Etapa de Aislación - Buffer

Seguidor de Voltaje con amplificador operacional 353N

1ra Etapa de Aislación - Buffer

2ra Etapa de Aislación - Optodriver

OptoDriver HCPL -3120

Etapa Inversora HF

1. Semiconductores de Interrupción: MOSFET

IRFP 250N

Etapa Inversora HF

Prototipo

Pulsos en Osciloscopio - DSP

Pulsos en Osciloscopio - Buffer

Bibliografía Revisada

Control Fuente de Corriente1. “Designer’s Series - Part V: Current-Mode Control Modeling”

– Ph.D. Ray Ridley. Modelos de función de transferencia de lazos de control en distintos

convertidores

Selección y utilización de rampa de compensación adecuada

Utilización de un único modelo de pequeña señal para la función de transferencia de control y lazo de estabilización de corriente

2. “Circuitos Integrados PWM Modo Corriente y Modo Voltaje” - Ph.D. Lautaro Salazar. Topología del lazo de control

Circuitos integrados de control

3. “Control de convertidores DC/DC”- Ph.D. Lautaro Salazar Control modo corriente por banda de histéresis

Control de modo corriente con realimentación en convertidores no aislados

Diseño de controladores por factor K

Control Fuente de Corriente4. “SmartCtrl Tutorial – Single Control Loop Design”

– Power Sim. Diseño y simulación de convertidores con realimentación modo

corriente en PSIM

Topologías sencillas de lazo modo corriente en convertidores DC DC sin aislamiento galvánico

5. “SmartCtrl Tutorial – Double Control LoopDesign” – Power Sim. Diseño y simulación de convertidores con realimentación modo

corriente y voltaje en PSIM

Herramienta “SmartCtrl®” de PowerSim para diseño

Convertidores DC/DC y MPPT1. “Switched capacitor DC-DC converter based maximum power point tracker of a

PV source for nano satellite application” – Peter Pradeep y Vivek Agarwal – Indian Institute of Techonology Bombay, Mumbay, Maharashtra, India.

Modelos de función de transferencia de lazos de control en distintos convertidores

Selección y utilización de rampa de compensación adecuada

Utilización de un único modelo de pequeña señal para la función de transferencia de control y lazo de estabilización de corriente

2. “Sistemas electrónicos de alimentación – Tema II” - Ph.D. E. Sanchiz – Universitatde Valëncia.

Principios de funcionamiento

Criterios de selección de topología: Necesidad de aislación, potencia, filtrado, ripple, eficiencia, ganancias.

3. “Conversor DC-DC de alta ganancia de voltaje aplicado a sistemas fotovoltaicaos” – Memoria de título Ingeniería Electrónica - Álvaro Olarte E. y Ph.D.George Julien Noel– Universitat de Valëncia.

Principios de funcionamiento

Criterios de selección de topología: Necesidad de aislación, potencia, filtrado, ripple, eficiencia, ganancias.

Convertidores DC/DC y MPPT4. “Electrónica de Potencia – Circuitos, Dispositivos y Aplicaciones” – Muhammad

H. Rashid – Prentice Hall Hispanoamericana, S.A., 1993.

Principios de funcionamiento de convertidores DC-DC

Principios de diseño de convertidores DC-DC

Funciones de transferencia y comparación

5. “Electrónica de Potencia ” – Daniel W. Hart– Prentice Hall Hispanoamericana, S.A., 1997.

Principios de funcionamiento y diseño de convertidores DC-DC

Pérdidas por componentes parásitas de conmutación

Funciones de transferencia no ideales en convertidores

6. “A Novel Type High-Efficiency High-Frequency- Linked Full-Bridge DC-DCConverter Operating under Secondary-Side Series Resonant Principle for High-Power PV Generation” - Daisuke Tsukiyama, Yasuhiko Fukuda, Shuji Miyake -Dispersed Power System Division, Daihen Corporation, Osaka, Japan.

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