Presentación final proyecto electrónico

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Presentación final proyecto electrónico

  1. 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. 2. Planteamiento del problema  Energía fotovoltaica:  Paneles solares actúan como “fuente de corriente”  Dependen de temperatura, radiación solar incidente  Topología típica:
  3. 3. Planteamiento del problema  Seguimiento de máxima potencia:
  4. 4. Planteamiento del problema  Seguimiento de máxima potencia:
  5. 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. 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. 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. 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. 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
  10. 10. Topología: Comparación  Convertidores DC/DC sin aislamiento galvánico  Boost: Bobina no ideal (Electrónica de Potencia, pág. 232 – Daniel W. Hart)
  11. 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. 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. 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%).
  14. 14. Topología: Comparación  Convertidores DC/DC con transformador (aislamiento)  Forward (Reductor)  Flyback (Elevador)  Push Pull (Reductor Elevador)  Medio Puente  Puente Completo
  15. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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.
  22. 22. Diseño y principio de funcionamiento
  23. 23. Convertidor Seleccionado Etapa Inversora Transformador “High Frequency” Etapa Rectificadora Inductor
  24. 24. (1) Etapa Inversora • Almacenaje de Energía en el Inductor • Anular el riesgo de desbalance en el Transformador. • De preferencia, mínimas conmutaciones posibles.
  25. 25. (1) Etapa Inversora: Control de Pulsos
  26. 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.
  27. 27. (1) Etapa Inversora: Control de Pulsos
  28. 28. (1) Etapa Inversora: Corrientes (a) Corriente: Recta ascendente Rizado: Función de voltaje, inductancia, desfase y frecuencia.
  29. 29. (1) Etapa Inversora: Corrientes (b) Corriente: Recta ascendente Rizado: Función de voltaje, inductancia, desfase y frecuencia.
  30. 30. (1) Etapa Inversora: Corrientes (c) y (d) (C) (D)
  31. 31. (1) Etapa Inversora: Voltaje Función de Transferencia de voltaje:
  32. 32. (1) Etapa Inversora: Corriente
  33. 33. (1) Etapa Inversora: Snubber
  34. 34. (2) Transformador
  35. 35. (2) Transformador
  36. 36. (2) Transformador
  37. 37. (3) Rectificador Diodos Rápidos: FR 307 Fast Recovery Diode 1000 [V]. 3 [A] – trr = 500[ns] (2MHz)
  38. 38. (4) Inductor Frecuencia de conmutación = 25 [kHz] Desfase máximo asumido = 150° Rizado de corriente = 5% de IL LREAL = 635 [uH]
  39. 39. Simulación PSIM
  40. 40. Simulación
  41. 41. 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
  42. 42. Implementación
  43. 43. 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
  44. 44. Generación de Pulsos de Control  DSP de Texas Instruments “C2000 – f28335”.
  45. 45. Generación de Pulsos de Control cc = ticcs cc.open(‘control’,’project’) cc.visible(1) checkEnvSetup(‘ccs’, ‘f28335’, ‘check’)
  46. 46. Generación de Pulsos de Control
  47. 47. 1ra Etapa de Aislación - Buffer Seguidor de Voltaje con amplificador operacional 353N
  48. 48. 1ra Etapa de Aislación - Buffer
  49. 49. 2ra Etapa de Aislación - Optodriver OptoDriver HCPL - 3120
  50. 50. Etapa Inversora HF
  51. 51. 1. Semiconductores de Interrupción: MOSFET IRFP 250N Etapa Inversora HF
  52. 52. Prototipo
  53. 53. Prototipo
  54. 54. Pulsos en Osciloscopio - DSP
  55. 55. Pulsos en Osciloscopio - Buffer
  56. 56. Bibliografía Revisada
  57. 57. 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
  58. 58. 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
  59. 59. 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.
  60. 60. 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.

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