sistema de regulacion y control de carga para...

13
Sistema de regulacion y control de carga para aerogenerador de baja potencia Yonatan F. Ochoa V. Jhon S. Rodriguez R. [email protected] [email protected] Fredy H. Mart´ ınez S. [email protected] Grupo de investigaci´ on ARMOS (COL0029956) Tecnolog´ ıa en Electricidad Facultad Tecn´ ologica Universidad Distrital Francisco Jos´ e de Caldas Bogot´ a D.C., Colombia Resumen—Este art´ ıculo presenta el dise˜ no y construcci´ on de un m´ odulo de regulaci´ on y control de carga para un aerogene- rador de baja potencia. Este proyecto fue realizado con ayuda del grupo de investigaci´ on ARMOS, para ser implementado en el aerogenerador que tiene la Universidad Distrital Francisco Jos´ e de Caldas sede tecnol´ ogica. El esquema el´ ectrico del m´ odulo cuenta con cuatro etapas: La primera es rectificaci´ on de la se˜ nal generada por el motor Brushless; la segunda Control de la se˜ nal rectificada; la tercera es el almacenamiento de la energ´ ıa generada por medio de un banco bater´ ıas compuesto de dos bater´ ıas de ´ acido de plomo; la cuarta y ´ ultima etapa es la conversi´ on de la se˜ nal DC a AC por medio de un inversor Push- pull. El m´ odulo est´ a controlado por una placa programable de ocho bits, para el correcto funcionamiento de los componentes electr´ onicos. Tambi´ en cuenta con un display para mostrar las variables importantes para el m´ odulo y un adaptador de micro SD para guardar los datos recolectados por la placa de Arduino. Palabras Clave: control se˜ nal de salida, zonas no interconectadas, energ´ ıa almacenada, odulo, placa programable. Abstract—This article presents the design and construction of a load regulation and control module for a low power wind turbine. This project was carried out with the help of the ARMOS research group, to be implemented in the wind turbine that has the Francisco Jos´ e de Caldas District University technological headquarters. The electrical diagram of the module has four stages: The first is the rectification of the indicator generated by the motor Without brush; The second control of the rectified signal; The third is the storage of power generated by means of a bank batteries composed of two batteries of lead acid; The fourth and final step is the conversion of the DC signal to an AC by means of a push-pull inverter. The module is controlled by an eight-bit programmable board for the correct operation of electronic components. It also has a display to display important variables for the module and a micro SD adapter to store the data collected by the Arduino board. —Keywords: output control, non-interconnected zo- nes, stored energy, module, programmable board. I. I NTRODUCCI ´ ON En la actualidad seg´ un el IPSE [1],en Colombia hay un eficit en la prestaci´ on del servicio de energ´ ıa el´ ectrica debido a que el 52 % del territorio nacional no est´ a dentro del Sistema Interconectado Nacional (SIN), que corresponde a 90 municipios, 20 territorios biodiversos y fronterizos, 1448 localidades, 39 cabeceras municipales y 5 capitales departa- mentales, debido a sus condiciones son zonas muy dispersas y con poca poblaci´ on, los recursos de estas personas son muy limitados y su consumo energ´ etico es muy bajo. En el territorio colombiano se cuenta con abundantes recursos naturales como la energ´ ıa solar y e´ olica. La generaci´ on de energ´ ıa el´ ectrica por medio de la utilizaci´ on de tecnolog´ ıas no convencionales, como son el uso de paneles solares fotovoltaicos y aeroge- neradores est´ an dando soluci´ on a la problem´ atica de estas comunidades. Tambi´ en se debe aprovechar el recurso solar en las ciudades principalmente en los edificios para reducir el consumo energ´ etico de la red principal, implementado paneles solares en las partes m´ as altas para no desperdiciar esa fuente que est´ a disponible durante el d´ ıa [2]. En el contexto internacional se han venido optando por diferentes soluciones y t´ ecnicas utilizadas como lo son la MCGP (m´ etodo de programaci´ on por metas multi-respuesta), que es la encargada de seleccionar la forma de energ´ ıa renovable m´ as adecuada, seleccionando tambi´ en la ubicaci´ on exacta donde el impacto ambiental y social sea el m´ as bajo posible, ya que son aspectos muy importantes a tener en cuenta [3] con este m´ etodo fue realizado el parque e´ olico en Taiw´ an. Uno de los pa´ ıses que as inversiones hace en este tipo de soluciones energ´ eticas es Alemania [4], ya que all´ ı este tipo de energ´ ıas son un buen negocio [5], porque las fuentes de energ´ ıas renovables se usan para alimentar la red de forma aut´ onoma y as´ ı suministrar la energ´ ıa el´ ectrica a viviendas que est´ en muy alejadas del (SIN). Pero ´ estas tecnolog´ ıas todav´ ıa no son muy confiables debido

Upload: others

Post on 15-Mar-2020

0 views

Category:

Documents


0 download

TRANSCRIPT

Page 1: Sistema de regulacion y control de carga para ...repository.udistrital.edu.co/bitstream/11349/6105/... · electronicos. Tambi´ ´en cuenta con un display para mostrar las ... inverter

Sistema de regulacion y control de carga paraaerogenerador de baja potencia

Yonatan F. Ochoa V. Jhon S. Rodriguez R.

[email protected] [email protected]

Fredy H. Martınez S.

[email protected]

Grupo de investigacion ARMOS (COL0029956)

Tecnologıa en Electricidad

Facultad Tecnologica

Universidad Distrital Francisco Jose de Caldas

Bogota D.C., Colombia

Resumen—Este artıculo presenta el diseno y construccion deun modulo de regulacion y control de carga para un aerogene-rador de baja potencia. Este proyecto fue realizado con ayudadel grupo de investigacion ARMOS, para ser implementado en elaerogenerador que tiene la Universidad Distrital Francisco Josede Caldas sede tecnologica. El esquema electrico del modulocuenta con cuatro etapas: La primera es rectificacion de lasenal generada por el motor Brushless; la segunda Control de lasenal rectificada; la tercera es el almacenamiento de la energıagenerada por medio de un banco baterıas compuesto de dosbaterıas de acido de plomo; la cuarta y ultima etapa es laconversion de la senal DC a AC por medio de un inversor Push-pull. El modulo esta controlado por una placa programable deocho bits, para el correcto funcionamiento de los componenteselectronicos. Tambien cuenta con un display para mostrar lasvariables importantes para el modulo y un adaptador de microSD para guardar los datos recolectados por la placa de Arduino.

Palabras Clave: control senal de salida, zonas nointerconectadas, energıa almacenada, modulo, placaprogramable.

Abstract—This article presents the design and constructionof a load regulation and control module for a low powerwind turbine. This project was carried out with the helpof the ARMOS research group, to be implemented in thewind turbine that has the Francisco Jose de Caldas DistrictUniversity technological headquarters. The electrical diagramof the module has four stages: The first is the rectificationof the indicator generated by the motor Without brush; Thesecond control of the rectified signal; The third is the storageof power generated by means of a bank batteries composedof two batteries of lead acid; The fourth and final step is theconversion of the DC signal to an AC by means of a push-pullinverter. The module is controlled by an eight-bit programmableboard for the correct operation of electronic components. It alsohas a display to display important variables for the module anda micro SD adapter to store the data collected by the Arduinoboard.

—Keywords: output control, non-interconnected zo-

nes, stored energy, module, programmable board.

I. INTRODUCCION

En la actualidad segun el IPSE [1],en Colombia hay un

deficit en la prestacion del servicio de energıa electrica debido

a que el 52 % del territorio nacional no esta dentro del

Sistema Interconectado Nacional (SIN), que corresponde a

90 municipios, 20 territorios biodiversos y fronterizos, 1448

localidades, 39 cabeceras municipales y 5 capitales departa-

mentales, debido a sus condiciones son zonas muy dispersas

y con poca poblacion, los recursos de estas personas son muy

limitados y su consumo energetico es muy bajo. En el territorio

colombiano se cuenta con abundantes recursos naturales como

la energıa solar y eolica. La generacion de energıa electrica

por medio de la utilizacion de tecnologıas no convencionales,

como son el uso de paneles solares fotovoltaicos y aeroge-

neradores estan dando solucion a la problematica de estas

comunidades. Tambien se debe aprovechar el recurso solar

en las ciudades principalmente en los edificios para reducir

el consumo energetico de la red principal, implementado

paneles solares en las partes mas altas para no desperdiciar esa

fuente que esta disponible durante el dıa [2]. En el contexto

internacional se han venido optando por diferentes soluciones

y tecnicas utilizadas como lo son la MCGP (metodo de

programacion por metas multi-respuesta), que es la encargada

de seleccionar la forma de energıa renovable mas adecuada,

seleccionando tambien la ubicacion exacta donde el impacto

ambiental y social sea el mas bajo posible, ya que son aspectos

muy importantes a tener en cuenta [3] con este metodo fue

realizado el parque eolico en Taiwan. Uno de los paıses que

mas inversiones hace en este tipo de soluciones energeticas es

Alemania [4], ya que allı este tipo de energıas son un buen

negocio [5], porque las fuentes de energıas renovables se usan

para alimentar la red de forma autonoma y ası suministrar la

energıa electrica a viviendas que esten muy alejadas del (SIN).

Pero estas tecnologıas todavıa no son muy confiables debido

Page 2: Sistema de regulacion y control de carga para ...repository.udistrital.edu.co/bitstream/11349/6105/... · electronicos. Tambi´ ´en cuenta con un display para mostrar las ... inverter

a la intermitencia de las fuentes. Para solucionar el problema

se estudia la mejor manera de desarrollar oportunamente las

tecnologıas para hacerlas competitivas frente a las generacion

de energıa tradicional, un ejemplo de ello, es el uso de modulos

en los que incorpore bancos de baterıas que sean recargables

y ası dar mayor confiabilidad al usuario [6], y energizar

zonas rurales donde no llega el (SIN), en India se empieza a

implementar este tipo de configuraciones para tener un sistema

electrico optimo y confiable [7].

El 20 % del consumo total de energıa electrica en Dinamarca

puede ser suministrado por generadoras eolicas, con la meta de

llegar a mitigar la generacion de energıa electrica por medio

de los combustibles fosiles en el 2050 [8], por lo cual se

viene desarrollando mejoras continuas en las tecnologıas para

hacer que esta forma de generar energıa sea competitiva frente

a las formas convencionales de producir energıa electrica.

Por ende, la construccion de los nuevos aerogeneradores ha

cambiado principalmente en el rotor, con campo de imanes

permanentes o doblemente alimentados, son los tipos que se

pueden encontrar hoy en dıa[9]. En la Facultad Tecnologica de

la Universidad Distrital Francisco Jose de Caldas, se encuentra

un aerogenerador desarrollado por estudiantes de Tecnologıa

Mecanica [10]. Este cuenta con un transformador a la salida

de las terminales del motor, que funciona como generador. Es

un sistema ineficiente ya que no cuenta con un sistema de

almacenamiento de energıa. Lo que se quiere lograr con este

proyecto es aprovechar de una manera mas eficaz la energıa

generada por el aerogenerador, brindandole una autonomıa

en el momento que no haya viento al usuario. Por lo que

el sistema tendra un banco de baterıas, el cual se ve mas

adelante, el modulo tiene como finalidad el alumbrado para

viviendas que esten en las Zonas No Interconectadas(ZIN), por

eso se disena pensando en una carga resistiva de 120 W lo que

equivaldrıa a dos bombillas incandescentes de 60 W cada una.

Por tal motivo se disena y construye un modulo de regulacion

de tension y carga de baterıas, para darle un valor agregado

sistema de generacion eolico y estabilizar la senal generada.

En la actualidad se vienen desarrollando proyectos de diseno e

implementacion de modulos que puedan aprovechar al maximo

la generacion mediante fuentes renovables, como es el caso

particular de Carlos Alejandro Ramırez Gomez [11]. Que

desarrolla una metodologıa para disenar convertidores DC/DC

y controladores, utilizados para aerogeneradores de baja po-

tencia ubicados en zonas urbanas, pero este no cuenta con

sistema dinamico y programable. Por ello se va implementar

una placa programable que facilita la interaccion del sistema

y el usuario. El aerogenerador de la Facultad Tecnologica de

la Universidad Distrital Francisco Jose de Caldas, cuenta con

un sistema mecanico que esta compuesto por una turbina de

eje vertical tipo Savonius, motor electrico brushless trifasico

para bicicleta de 48V y 350W con acople de plato, cadena y

tensor de bicicleta como se muestra en la Fig. 1.

El artıculo se estructura de la siguiente manera, en primer

lugar se hablara de la problematica que se desea solucionar

y el planteamiento de dicha solucion. Luego se dara una

explicacion breve de algunos conceptos del prototipo, seguido

Figura 1. Prototipo de aerogenerador instalado en la Facultad Tecnologica[10].

de una explicacion del funcionamiento del modulo que se

implementara, para continuar con el diseno de regulacion y

carga para el aerogenerador de baja potencia. Posteriormente

seguira con la construccion de las pruebas que se le practicaran

al mismo y se terminara con el analisis de los resultados de las

pruebas realizadas al prototipo y conclusiones del proyecto.

II. DISENO DEL PROTOTIPO

Se cuenta con un sistema mecanico de aerogenerador que

por medio de una adaptacion de transmision, genera un

movimiento a un motor de bicicleta que va a funcionar como

generador en nuestro sistema, mientras haya viento suficiente

para girar la turbina. La senal generada por el motor pasara por

un proceso de rectificado, para ser controlada por medio de

un convertidor DC/DC. Su funcion sera mantener una tension

de salida constante y continua, por medio de sensores de

tension. Esta senal pasara por la etapa de almacenamiento de la

energıa en las baterıas. El sistema tendra algunas restricciones

de corriente y tension, que mas adelante se veran al detalle.

Finalmente, la senal DC pasa a un inversor (Convertidor

DC/AC) cambiara la senal DC continua, a una senal alterna

para el suministro especialmente de iluminacion, con una carga

que no supere 120 W. Se disena una carcasa protectora para

los diferentes componentes electronicos.

II-A. Rectificacion de la senal generada

La senal de salida obtenida del motor Brushless funcionando

con generador se muestra en la Fig. 2. Y cuando este girando

a su velocidad nominal tendra una tension maxima de 48 V.

Se puede observar claramente que la onda generada por el

motor es una onda sinusoidal, posee tres bobinas en el estator

Page 3: Sistema de regulacion y control de carga para ...repository.udistrital.edu.co/bitstream/11349/6105/... · electronicos. Tambi´ ´en cuenta con un display para mostrar las ... inverter

desfasadas 120 donde estan las terminales que alimentaran al

modulo.

Figura 2. Senal de las fases ab-bc del motor.

Se implementa un rectificador trifasico de onda completa

como se muestra en la Fig. 3, para la adecuada conversion de

la senal que sera entregada al convertidor DC/DC.

Figura 3. Circuito rectificador trifasico de onda completa.

Para hallar el valor de tension que se tendra a la salida del

rectificador trifasico, se usa la ecuacion dos.

V dc =1

π/3∗

∫ π/2

π/6

√3 ∗ V fase ∗ cos(ωt)dωt (1)

Como se menciono anteriormente, la carga para la cual se

disena el modulo es una carga resistiva y la tension de salida

se obtiene mediante la ecuacion tres, por lo cual la ecuacion

dos, queda de esta manera:

V dc =3 ∗

√3

π∗ V fase (2)

V dc =3 ∗

√3

π∗ 48V = 79,4V (3)

Donde:

Vdc= Tension de salida

Con este valor de tension y teniendo en cuenta que la carga

de salida tiene una potencia de 120 W se procede a calcular la

corriente en la salida del rectificador con la ecuacion cuatro.

IDC =P

V(4)

IDC =120W

79,4V(5)

IDC = 1,51A (6)

Donde:

IDC= Corriente de salida

La corriente que pasa por cada diodo se calcula con la ecuacion

cinco.

IDCdiodo =IDC

3(7)

IDCdiodo = 0,50A (8)

Donde:

IDCdiodo= Corriente que circula por cada diodo

Conociendo estos valores de tension y corriente se eligen los

diodos adecuados para el rectificador trifasico de onda comple-

ta. Las caracterısticas que deben tener los diodos son: tension

de 80 V y una corriente de 0.5 A. Se eligio implementar dos

puentes rectificadores como se muestra en la Fig. 3 ya que su

ensamble es mas sencillo.

Figura 4. Puente rectificador[12].

Los puentes rectificadores se acoplan de tal manera que el

sistema vea un rectificador trifasico de onda completa como

se puede ver en la Fig. 5, estos puentes rectificadores se

encuentran en el mercado de acuerdo a su nivel de corriente

maxima que soportan, algunos de estos valores de corriente

son: 10, 15, 25, y 50 A, para la implementacion en el modulo

se elige el que mas se acerca al valor de corriente requerido

que es el de 10A.

Page 4: Sistema de regulacion y control de carga para ...repository.udistrital.edu.co/bitstream/11349/6105/... · electronicos. Tambi´ ´en cuenta con un display para mostrar las ... inverter

Figura 5. Puente rectificador.

II-B. Control de la senal rectificada

El convertidor DC/DC se usa para convertir la entrada de

CC no regulada a una salida controlada en el nivel de tension

que se quiere obtener a la salida. Se elige para el modulo

un convertidor tipo buck, puesto que las caracterısticas de

diseno que proporciona este tipo de circuito, facilita tener

una tension de salida fija de acuerdo al funcionamiento del

modulo y maneja potencia requerida. Cosa que otro tipo de

convertidor no podrıa hacer por las condiciones en las que

esta expuesto el convertidor. Para el funcionamiento adecuado

y restricciones de este, la tension de entrada puede variar en el

rango de 30V a 0V, segun el caso, por ello no es constante y

se tiene que garantizar que la tension de salida del convertidor

sea maxima de 15V para la alimentacion de las baterıas y el

inversor (convertidor DC/AC). Para el desarrollo y diseno de

este convertidor DC/DC, es necesario asumir algunos valores

iniciales de operacion maxima del modulo como lo son:

Vin=30 V

Vout=15 V

Imax=8 A

Imin=800 mA

Delta Vout < 150 mV

f=180 kHz

Con estos parametros iniciales se procede a calcular los valores

ideales de los componentes de el convertidor buck necesarios

para el diseno, primero se debe tener en cuenta el ciclo de

trabajo del convertidor para lo cual se asume que el interruptor

es ideal y la caıda en el diodo es despreciable.

D =V o

V i(9)

D =15V

30V(10)

D = 0,5 (11)

A continuacion, se debe calcular el valor del inductor en el

modo continuo mas desfavorable por lo que se tiene:

Lc =(1−D) ∗ V out

2fIomin(12)

Lc =(1− 0,5) ∗ 15V

2 ∗ 180kHz ∗ 800mA(13)

Lc = 26,06µH (14)

Se toman un margen de seguridad del 25 % con lo que

obtenemos un valor de Lc = 32µH para el inductor.

C >(1−D) ∗ V out

8Lf2∆V out(15)

C >(1− 0,5) ∗ 15V

8 ∗ 47µH (180kHz)2 ∗ 0,15V(16)

C > 12,6µF (17)

Donde:

D= Ciclo de trabajo

Lc= Inductor

C= Condensador

Con el valor de 12 µF para el condensador y de 32 µH se rea-

liza el circuito ideal del convertidor buck. Para la construccion

del convertidor buck se escoge el integrado XL4016 como se

observa en la Fig. 6, ya que esta en capacidad de soportar una

corriente de 8A, lo cual es muy util para la alimentacion de

las baterıas y el convertidor DC/AC, en la Fig. 6 se observa

como esta compuesto el integrado y sus pines son:

pin 1:GND referencia o tierra

pin 2:FB control del PWMpin 3:sw salida del convertidor

pin 4:VC referencia para el comparador

pin 5:alimentacion del convertidor buck

Figura 6. Circuito intregado XL4016 [13].

Es recomendable para el optimo funcionamiento del inte-

grado usar el montaje que recomienda el fabricante, como se

aprecia en la Fig.7, el cual tiene unos valores de condensador

e inductor distintos al calculado. Por consiguiente, se simula

el circuito recomendado por el fabricante para observar el

Page 5: Sistema de regulacion y control de carga para ...repository.udistrital.edu.co/bitstream/11349/6105/... · electronicos. Tambi´ ´en cuenta con un display para mostrar las ... inverter

comportamiento que presenta la tension de entrada con res-

pecto a la de salida, para ello de opta por tener 4 valores

distintos de tension en su alimentacion. Adicionalmente se

mostrara el comportamiento de la corriente de salida. Como

ya se menciono anteriormente el objetivo del convertidor buck

es mantener la tension de salida en un valor constante de 15

V, para que esto se cumpla, se controla el integrado XL4016

por medio del pin 2 el cual se encarga modificar el PWM que

maneja el integrado, para que a la salida obtengamos el valor

de tension requerido.

Figura 7. Circuito convertidor Buck.

Se toman cuatro simulaciones para verificar el funciona-

miento del convertidor buck.

La primera simulacion se toma como valor de entrada

una tension de 30 V (grafica verde) y un ciclo util PWM

del 50 % como muestra la Fig. 8.

Figura 8. Curva del convertidor buck con 30V de alimentacion.

De acuerdo a la tension suministrada, se obtiene una senal

(grafica azul), un pico de tension de 26 V en los primeros 2.5

ms, luego se estabiliza el transitorio en 7.5 ms y se mantiene

en 15 V. Es lo esperado segun los calculos que se realizaron.

En la segunda simulacion Fig. 9 se reduce la tension de

alimentacion a 20 V grafica verde, al reducir la tension

en la entrada del convertidor es necesario aumentar el

ciclo util del PWM al 75 %.

Figura 9. Curva del convertidor buck con 20V de alimentacion.

Como se observa en la Fig. 9, la tension de entrada se redujo

a 20 V y la tension de salida se mantuvo con las mismas

caracterısticas de la anterior grafica

Se toma como tension de alimentacion 15 V pero como

es igual al valor de salida, se asume como un convertidor

ideal, es necesario que el ciclo util sea del 100 %.

Figura 10. Curva del convertidor buck con 15 V de alimentacion..

Como resultado en la Fig. 10, se tiene un pico de 26 V a los

2 ms y se demora un poco mas en la estabilizacion de la senal

hasta los 15 ms, manteniendo ası la senal de los 15 V.

Como se puede apreciar en la ultima simulacion Fig. 11,

la tension de entrada se redujo a 10 V .

Figura 11. Curva del convertidor buck con 10V de alimentacion..

Cuando la tension de entrada se reduce por debajo de la

tension de operacion de 15 V, se tiene mas ruido en la senal

Page 6: Sistema de regulacion y control de carga para ...repository.udistrital.edu.co/bitstream/11349/6105/... · electronicos. Tambi´ ´en cuenta con un display para mostrar las ... inverter

de salida y por consiguiente se demorara en este caso un 50 %

mas en estabilizarse hasta los 15 ms. Y esta de acuerdo a lo

esperado.

II-C. almacenamiento de la energıa generada

El tipo de baterıa que se opto por implementar en el modulo,

es la baterıa de acido de plomo, ya que este tipo de baterıas

tienen unos 2000 ciclos de carga y descarga, su eficiencia es

del 75 % ademas pueden soportar descargas del 80 % y tener

una vida de unos 15 anos [14]. Ademas, tienen un bajo costo

en el mercado.

Figura 12. bateria seleccionada [15]

Las baterıas que se van a usar se ve en la Fig.12 y sus

caracterısticas son:

Tension nominal: 12 VDC

Capacidad nominal: 7 Ah

Sellado altamente seguro

Celdas de larga vida

Terminales de 1,06 cm

Soporta hasta 300C

Color: negro Dimensiones: 9,4cm × 15cm × 6,5cm Peso

total: 2.18 kg EAN: 7501483135898 Marca: Steren

Con las caracterısticas anteriores se halla la energıa que se

puede almacenar en las baterıas como se muestra a continua-

cion:

E = V × Ih (18)

E = 12V × 7Ah (19)

E = 84Wh (20)

ET = 84Wh× 2 (21)

ET = 168Wh (22)

Donde:

E= Energıa entregada por una baterıa

ET= Energıa total compuesta por las dos baterıas

Teniendo en cuenta que para no deteriorar prematuramente la

vida util de la baterıa solo se va descargar maximo un 50 %,

por lo que de 168 Wh solo se podra usar 84 Wh. Con esto

se procede a calcular la autonomıa que va tener el sistema

cuando el viento no es suficiente para hacer girar las aspas del

aerogenerador. Para hallar el tiempo se usa una carga resistiva

de 120 W como ya menciono anteriormente.

A =E

Pd(23)

A =84Wh

120W(24)

A = 0,7h (25)

A = 42min (26)

Donde:

A= Autonomıa suministrada al sistema

E= Energıa entregada por las baterıas

Pd= Potencia de salida del sistema

Las baterıas estan en capacidad de mantener en funciona-

miento la carga durante 42 minutos en condiciones donde

el aerogenerador no pueda generar la tension requerida para

alimentar el inversor.

Se debe tener en cuenta la forma en que se carga las baterıas,

ya que la forma optima de cargalas es controlando el valor

de tension de alimentacion, que debe estar por encima en

aproximadamente un 10 % de su tension nominal, tambien se

debe medir la corriente de carga que cuando llegue a un valor

cercano a 0 se debe desconectar la alimentacion.

Para nuestra aplicacion se controla este nivel tension por

medio de convertidor buck como se menciono se vio en la

parte de control de la senal rectificada.

II-D. Conversion de la senal DC a AC

La conversion de la senal viene dada por un inversor que se

va a implementar en el modulo, de acuerdo a las caracterısticas

de diseno se debe tener en cuenta 2 formas de operacion:

Cuando el aerogenerador este funcionando en optimas

condiciones, es decir, cuando hay viento para hacer

girar las aspas, simultaneamente debe estar alimentando

el inversor y cargar las baterıas. Por consecuencia, el

inversor tendra una tension de entrada que estara en el

rango de 12 a 15 VDC. Debe entregar una tension de

salida que debe estar en el rango de 110 V a 127 VAC

Cuando las condiciones climaticas no puedan hacer girar

las aspas del aerogenerador: En este caso, si las baterıas

estan cargadas al 100 % tendra una autonomıa de 42

minutos aproximadamente como se menciono anterior-

mente. Tendra una tension de entrada de 12 VDC y una

tension de salida de 120 VAC, hasta que la baterıa llegue

al 50 % de carga y se desactivara el modulo.

Page 7: Sistema de regulacion y control de carga para ...repository.udistrital.edu.co/bitstream/11349/6105/... · electronicos. Tambi´ ´en cuenta con un display para mostrar las ... inverter

Los valores maximos que no deben superar para el funcio-

namiento optimo en operacion del convertidor DC/AC son:

Vin: 15 VDC

Vout: 127 V

Imax: 1.5 A

Potencia: 150 W

F: 20 kHz

Forma de onda: Cuadrada

Para el diseno del inversor es necesario tener una senal de

excitacion (PWM) a los transistores, dos transistores Mosfet

de referencia 80nf70 ya que son ideales porque soportan una

corriente maxima de 98 A y una resistencia de conduccion

bastante pequena, que actuan en configuracion push-pull, sobre

un transformador elevador de 150 W con tap central en el

primario, como se muestra en la Fig. 13.

Figura 13. Circuito inversor

Configuracion Push-pull: Se usa un transistor para amplifi-

car el ciclo positivo de la senal de entrada, mientras que el

otro transistor se encarga de amplificar el ciclo negativo. Este

tipo de configuracion es usada para realizar la conmutacion de

los transistores y es la mas utilizada y efectiva para realizar

el cambio de tension continua a alterna.

Por medio del integrado SG3525a que es un modulador de

ancho de pulso y es el encargado de generar la excitacion

a los transistores Q1 y Q2 usando un reloj sincronizado,

proporcionando una senal cuadrada para la activacion y desac-

tivacion de los transistores. Adicionalmente para su adecuado

funcionamiento se debe conectar segun la configuracion del

fabricante, como se muestra en la Fig. 14.

La activacion de los transistores como se dijo anteriormente

depende de la senal del integrado, por ello, cuando la entrada

es positiva se tiene que Q1 conduce y Q2 esta en corte.

Mientras que si la entrada es negativa Q1 no conduce y Q2

conduce [17], esto permitira obtener la onda de salida como

se muestra en la FIG. 15

Figura 15. Conduccion de los transistores [17]

Para la simulacion del inversor fue necesario utilizar la

herramienta de SIMPLORER, reemplazando la senal del in-

tegrado (SG3525a) por 2 PWM para la senal de excitacion a

los transistores. Una fuente de tension DC, que sera nuestra

entrada al inversor y utilizando 2 transformadores para realizar

la configuracion de tap central en el primario, como se muestra

en la Fig. 16

Figura 16. Senal de salida del inversor

Por medio de los 2 PWM, se logro simular las dos senales

de activacion de los transistores desfasadas 180 y con una

frecuencia de 20kHz, como se muestra en la FIG. 17

Page 8: Sistema de regulacion y control de carga para ...repository.udistrital.edu.co/bitstream/11349/6105/... · electronicos. Tambi´ ´en cuenta con un display para mostrar las ... inverter

Figura 14. Integrado SG3525A [16]

Figura 17. Senal de activacion de los transistores

Con una tension de 15 VDC que simula la alimentacion

del motor o de las baterıas de acuerdo al caso, se tiene que

finalmente en la salida del transformador de 150 W, se obtiene

una senal alterna cuadrada de 170 VAC pico, es decir, una

tension de salida de 120 VAC RMS. Y una frecuencia de

20KHz, como se observa en la FIG. 18

Figura 18. Circuito inversor (SIMPLORER)

II-E. Diseno de la carcasa

Se disena una carcasa para el modulo de regulacion y carga

del aerogenerador de baja potencia en la que se utiliza los

siguientes materiales:

Angulo 1/2”x3/16”Acrılico negro traslucido de 4mm

Page 9: Sistema de regulacion y control de carga para ...repository.udistrital.edu.co/bitstream/11349/6105/... · electronicos. Tambi´ ´en cuenta con un display para mostrar las ... inverter

Se usa el angulo metalico como soporte estructural, el cual

tiene las siguientes dimensiones 50 cm de ancho x 15 cm de

alto x 20 cm profundidad como se observa en la Fig. 19 y

Fig. 20, se cubre el interior de la estructura por las laminas

de acrılico.

Figura 19. Chasis de la carcasa

Figura 20. Carcasa

En la carcasa se realizaron 5 perforaciones en las que estan

distribuidas: 2 en parte de adelante Fig. 21, uno es para el

tomacorriente y el otro es para el display. En la parte lateral

izquierda tendra una perforacion para un ventilador Fig. 22.

En la parte trasera tendra 2 perforaciones las cuales constan,

una para la caja de conexiones al motor y la otra para un

ventilador, como se muestran en la Fig. 23

Figura 21. Parte frontal de la carcasa

Figura 22. Parte lateral izquierda de la carcasa

Figura 23. Parte trasera de la carcasa

En el interior de la carcasa tiene un soporte para la tarjeta

de componentes electronicos y un compartimiento para poner

2 baterıas las cuales deben tener por cada una, un area de 15

cm de largo x 6,5 cm de ancho y una altura maxima de 15

cm como se aprecia en la Fig. 24.

Page 10: Sistema de regulacion y control de carga para ...repository.udistrital.edu.co/bitstream/11349/6105/... · electronicos. Tambi´ ´en cuenta con un display para mostrar las ... inverter

Figura 24. Interior de la carcasa

En la Fig. 25 se muestra el modulo funcionando con las

dimensiones anteriormente descritas.

Figura 25. Modulo Completo

II-F. Diseno del programa

Figura 26. Placa programable arduino mega[18]

Como se aprecia en la Fig.27 la energıa generada por el

motor brushless funcionando como generador, pasa por varias

etapas como los son: rectificacion de la senal de entrada,

control de la senal rectificada por medio de un convertidor

DC/DC , almacenamiento y conversion de la senal. En cada

una de estas etapas se sensa tension y corriente para poder

controlar el prototipo adecuadamente.

Los componentes implementados que tendran senales analo-

gas necesarias para la programacion de la placa arduino mega

Fig.26 son:

Sensores de tension consta de un divisor resistivo a la

salida de cada etapa.

Sensores de corriente que estara presente en las baterıas

y la salida del inversor.

La ejecucion del programa viene dado segun el diagrama

de flujo de la Fig.28. Como se puede ver en el diagrama hay

dos restricciones importantes para proteger los componentes

electronicos y las baterıas una de ellas es que las baterıas no

pueden ser descargadas mas alla del 50 % por que la vida util

de las baterıas se deteriora mas rapidamente. Y la segunda es

que la corriente de salida no supere 1 A ya como se menciono

anteriormente por el inversor en el devanado primario del

transformador la corriente es de 8 A y es la corriente maxima

permitida por los componentes electronicos.

Figura 28. Diagrama de flujo

Page 11: Sistema de regulacion y control de carga para ...repository.udistrital.edu.co/bitstream/11349/6105/... · electronicos. Tambi´ ´en cuenta con un display para mostrar las ... inverter

Figura 27. esquema electrico del modulo de regulacion y carga para un aerogenrador de baja potencia

Para el analisis del comportamiento del sistema se hace uso

del adaptador de memoria micro SD que arduino ofrece Fig29,

el cual guarda los datos de los sensores y de la frecuencia de

generacion, el tratamiento de los datos depende del criterio

y objetivos de la que persona que haga el analisis como por

ejemplo: se puede ver en que momentos del dıa se puede

aprovechar mas el modulo sin que las baterıas entren en

funcionamiento.

Figura 29. adaptador micro SD arduino [19]

El modulo cuenta con una pantalla LCD 16 × 2 Fig30, la

cual permite mostrar en pantalla las variables importantes del

modulo como la frecuencia de generacion, el porcentaje de

carga de las baterıas y el valor que leen los sensores, para que

le usuario puede ver en el momento que desee estos valores.

Figura 30. display lcd[20]

III. EVALUACION DE DESEMPENO

En esta seccion se daran las pautas para disenar la pruebas

a las baterıas y al modulo para ver el comportamiento ante

estas pruebas y se analizaran los resultados para poder mejor

el programa de ser necesario y aplicar cambios antes de darlo

por terminado.

III-A. Diseno pruebas de las baterias

Lo primero que se disena son las pruebas a las baterıas,

como ya se vio anteriormente estas deben estar en un rango

de descarga cercano al 80 % para no disminuir su vida util,

pero como en algunos casos se complica estar en este rango de

operacion, para nuestro prototipo se dara un margen un poco

mas alto de un 50 % debido a la aplicacion que tendra.

Teniendo en cuenta las especificaciones del fabricante, la

corriente maxima de carga es de 1.4 A, a una tension constante

de 15 V con estos datos se disena dos tipos de pruebas a

las baterıas, una prueba es para ver como se encuentra las

bacterias para ser cargadas y la otra prueba es para verificar

comportamiento al momento de aplicar una descarga teniendo

Page 12: Sistema de regulacion y control de carga para ...repository.udistrital.edu.co/bitstream/11349/6105/... · electronicos. Tambi´ ´en cuenta con un display para mostrar las ... inverter

en cuenta la potencia de salida va del prototipo es 120 W a

120 V por consiguiente se tiene una corriente de 1A pero la

corriente que se le estara exigiendo a las baterıas debido al

inversor sera de:

R = 120V/15V (27)

R = 8 (28)

Iin = Iout ∗R (29)

Iin = 1A ∗ 8 (30)

Iin = 8A (31)

Segun la curva de la Fig. 31 proporcionada por el fabricante

las baterıas con una descarga de 8 A tendra un tiempo de 12

min pero como son dos bacterias en paralelo sera una corriente

de 4 A lo cual aumenta bastante el tiempo de descarga a 50

min.

Figura 31. Grafica de descarga vs tiempo de descarga de las baterıas [15].

Para la prueba de descarga se usa una carga resistencia de

120 Ω y se llena la para analizar los resultados posteriormente

y verificar el buen estado de las baterıas TablaI.

TENSION [V] CORRIENTE [A] TIEMPO [MIN]

Tabla I

Para la carga de la baterıa se usa una tabla similar ya que es un

proceso opuesto, pero se tendra una tension constante de 15 V

de alimentacion y solo se toma los datos de corriente y tiempo

cuando esta llegue a un valor cercano a cero se considera

completamente cargada como se observa en la TablaII.

CORRIENTE [A] TIEMPO [MIN]

Tabla II

III-B. Analisıs de resultados

Para realizar la prueba de descarga de las baterıas se utilizo

solo una baterıa. Los valores que se muestran a continuacion

en la Tabla.III son con la baterıa totalmente cargada. Para

llegar aun valor de corriente de salida de 3.5 A, se uso una

resistencia de 120 Ω, los resultados se observan en la Tabla.III

TENSION [V] CORRIENTE [A] TIEMPO [MIN]15 3.5 013 3.5 511 3.5 259 3.5 45

Tabla III

De acuerdo a los resultados obtenidos en la prueba, se

deduce que al poner la baterıa a descargarse con una corriente

constante de 3.5 A, la duracion de descarga esta dentro de

los parametros esperados. Ya que en 45 minutos despues del

inicio de la descarga termino en 9 V.

Para realizar la prueba de carga de la baterıa, se uso una

fuente de tension DC de 15 V. La tension inicial de la baterıa

estaba en un 60 % de carga. Los datos recolectados se muestran

en la Tabla.IV.

CORRIENTE [A] TIEMPO [MIN]1.4 00.9 300.7 500.4 700.2 1300.1 240Tabla IV

Como se esperaba la corriente maxima de carga, en su valor

inicial es mayor. Mientras que paso 50 minutos se redujo a la

mitad la corriente de carga, y finalmente despues de 4 horas

la corriente se redujo a 0,1 A.

IV. CONCLUSIONES

Con la implementacion del modulo al aerogenerador se

consigue aprovechar la energıa generada por el motor en

un 80 % mas, ya que estabiliza la senal a 120 Vac en

periodos mas largos ya que la senal variaba con respecto

a la cantidad de viento.

Page 13: Sistema de regulacion y control de carga para ...repository.udistrital.edu.co/bitstream/11349/6105/... · electronicos. Tambi´ ´en cuenta con un display para mostrar las ... inverter

Al integrar los sensores de tension y corriente, la placa de

programacion de ocho bits proporciona mayor confiabili-

dad al sistema, porque se controla la senal a la salida del

modulo de acuerdo a la programacion establecida, evi-

tando danos a los componentes electronicos del modulo.

Al usar el convertidor DC/DC (tipo buck) se garantizo

que las baterıas se cargaran debidamente sin que la ten-

sion de carga sea superior a la soportadas por las baterıas,

ya que el ciclo de carga y de descarga estan monitoreados

y controlados por medio de la placa programable de ocho

bits para evitar el desgaste prematuro de las baterıas.

Como se muestran en las tablas III y IV el tiempo de

carga y descarga esta en los rangos esperados funcio-

nando a condiciones nominales, es recomendable usar

cargas puramente resistivas o que cuenten con sistema

de filtrado.

V. TRABAJO FUTURO

El modulo se puede aprovechar de una manera mas con-

fiable y eficiente al implementarle otra forma de fuente de

energıa, como por ejemplo, utilizando celdas solares para que

de esta manera las baterıas esten cargadas y disponibles para

el usuario en horas donde esten presentes el sol y el viento.

Al convertirse en un modulo hibrido su eficiencia aumentarıa

en 30 % mas de lo que actualmente se puede aprovechar, una

mejora adicional como se menciono anteriormente, al cambiar

las baterıas por unas de litio el ciclo de descarga aumenta

considerablemente ya que estas se pueden descargar hasta

llegar 0 % de carga lo cual le da una autonomıa bastante mayor.

La tarjeta se podrıa mejorar, para no limitar la potencia de

salida a 120 W y aprovechar el maximo la potencia entregada

por el motor brushless, cambiando los convertidores por unos

de mayor potencia y ası aumentar la eficiencia del modulo.

REFERENCIAS

[1] IPSE, “Acompanamiento y dinamizacion de proyectos energeticos paralas localidades del paıs que no pertenecen al sistema interconectadonacional,” in Memorias del Encuentro de Gobernadores, Alcaldes y

Secretarios de Planeacion, Instituto de Planificacion y Promocion deSoluciones Energeticas para las Zonas No Interconectadas, 2012.

[2] H. Polinder, “Overview of and trends in wind turbine generator systems,”Power and Energy Society General Meeting, 2011 IEEE, pp. 1–8, 2011.

[3] S. Karytsas and H. Theodoropoulou, “Socioeconomic and demographicfactors that influence publics’ awareness on the different forms ofrenewable energy sources,” Renewable Energy, vol. 71, pp. 480–485,2014.

[4] J. Blazejczak, F. G. Braun, D. Edler, and W.-P. Schill, “EconomicEffects of Renewable Energy Expansion - A Model-Based Analysis forGermany,” Renewable and Sustainable Energy Reviews, vol. 40, pp. 1–25, 2011.

[5] M. Iqbal, M. Azam, M. Naeem, a. S. Khwaja, and a. Anpalagan,“Optimization classification, algorithms and tools for renewable energy:A review,” Renewable and Sustainable Energy Reviews, vol. 39, pp. 640–654, 2014.

[6] A. Chauhan and R. P. Saini, “A review on Integrated Renewable EnergySystem based power generation for stand-alone applications: Configu-rations, storage options, sizing methodologies and control,” Renewable

and Sustainable Energy Reviews, vol. 38, pp. 99–120, 2014.[7] J. Castellanos, M. Walker, D. Poggio, M. Pourkashanian, and W. Nimmo,

“Modelling an off-grid integrated renewable energy system for ruralelectrification in India using photovoltaics and anaerobic digestion,”Renewable Energy, vol. 74, pp. 390–398, 2015.

[8] F. Blaabjerg, M. Liserre, and K. Ma, “Power electronics converters forwind turbine systems,” Industry Applications, IEEE . . . , vol. 48, no. 2,pp. 708–719, 2012.

[9] J. J. Sarralde, D. J. Quinn, D. Wiesmann, and K. Steemers, “Solar energyand urban morphology: Scenarios for increasing the renewable energypotential of neighbourhoods in London,” Renewable Energy, vol. 73,pp. 1–8, 2014.

[10] D. Enrique and L. Garcıa, “DISENO Y CONSTRUCCION DE UNPROTOTIPO DE TURBINA EOLICA DE 60 W , PARA SUMINISTROELECTRICO DE ZONAS URBANAS Resumen,” 2015.

[11] C. A. Ramırez Gomez, “Metodologıa para el diseno de un convertidorDC-DC aplicado a aerogeneradores de baja potencia,” p. 104, 2013.

[12] “Puente de Diodos rectificadores 10-35A,” 2015.[13] L. C. D. Tv, “Datasheet 8A 180KHz 40V Buck DC to DC Converter

Features XL4016 General Description Datasheet 8A 180KHz 40V BuckDC to DC Converter Pin Configurations,” pp. 1–9, 2016.

[14] I. Gil Mera, “Diseno de un sistema de alamcenamiento de energıahıbrido basado en baterıas y supercondensadores para su integracionen microredes electricas,” pp. 20–31, 2015.

[15] Fullriver, “hgl7.2-12,” 2017.[16] R. Pulse and W. Modulators, “Sg2525a sg3525a,” Test, no. June, pp. 1–

13, 2000.[17] J. I. Huircan, “Ampli . . . cadores de Potencia,” no. 2, pp. 1–19, 2012.[18] “parts – m H z,” 2015.[19] Leer y escribir en una tarjeta SD o micro SD con Arduino, octber 2016.[20] “Display Lcd 16x2 Arduino Pic Backligth Azul + Barra 16 Pinos - R$

16,00 em Mercado Livre,” 2015.