1. 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 Eléctrica
Facultad de Ingeniería
2. Planteamiento del problema
Energía fotovoltaica:
Paneles solares actúan como “fuente de corriente”
Dependen de temperatura, radiación solar incidente
Topología típica:
5. 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
6. 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
7. 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 [ ]
W
A
V
657 [ ]
13.7 [ . .]
48 [ ]
OUT
IN
V
p u
V
8. 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]
9. Topología: Comparación
Convertidores DC/DC sin aislamiento galvánico
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
11. Topología: Comparación
Convertidores DC/DC sin aislamiento galvánico
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]
12. Topología: Comparación
Convertidores DC/DC sin aislamiento galvánico
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 )
13. 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%).
15. 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
16. Topología: Comparación
Convertidores DC/DC con transformador (aislamiento)
Flyback
Utilización del núcleo del transformador poco eficiente
Disparo sencillo del switch
Bajo ripple de salida
Permite ajustar tensión mayor en relación a las vueltas del primario y secundario
Reducido coste
Simpleza de construcción
17. Topología: Comparación
Convertidores DC/DC con transformador (aislamiento)
Push Pull
Utilización del núcleo del transformador eficiente (más pequeño)
Bajo ripple de salida
Reducido coste
Simpleza de construcción
Posible desbalance del flujo.
18. 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%)
19. Topología: Comparación
Convertidores DC/DC con transformador (aislamiento)
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]
20. Topología: Comparación
Cuadro comparativo
(Fuente: Pág. 25 - Memoria Ingeniería Técnica Industrial – Daniel E. Álvaro, Ph.D.
Simón Dávila S. – Universidad Carlos III España)
21. Selección de Convertidor
En base a la bibliografía existente, y
de común acuerdo con el Profesor
Patrocinante, se selecciona el
Convertidor del tipo Puente
Completo para ser simulado e
implementado.
24. (1) Etapa Inversora
• Almacenaje de Energía en el
Inductor
• Anular el riesgo de desbalance
en el Transformador.
• De preferencia, mínimas
conmutaciones posibles.
26. (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.
58. Control Fuente de Corriente
1. “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
59. Control Fuente de Corriente
4. “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 Loop
Design” – Power Sim.
Diseño y simulación de convertidores con realimentación modo
corriente y voltaje en PSIM
Herramienta “SmartCtrl®” de PowerSim para diseño
60. Convertidores DC/DC y MPPT
1. “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 – Universitat
de 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.
61. Convertidores DC/DC y MPPT
4. “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-DC
Converter 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.