Modelado y Control de un Convertidor CD CD Boost Intercalado

Texto completo

(1)Instituto Tecnológico y de Estudios Superiores de Monterrey Campus Monterrey. Escuela de Ingeniería y Ciencias. Modelado y control de un convertidor CD-CD boost intercalado Tesis presentada por. Carlos Alberto Villarreal Hernández. Sometida a la Escuela de Ingeniería y Ciencias como un requisito parcial para obtener el grado académico de Maestro en Ciencias con Especialidad en Ingeniería Energética. Monterrey, Nuevo León. Mayo de 2017.

(2) Instituto Tecnológico y de Estudios Superiores de Monterrey Campus Monterrey Escuela de Ingeniería y Ciencias. Los miembros del comité aquí citados certificamos que hemos leído la tesis presentada por el Ing. Carlos Alberto Villarreal Hernández y consideramos que es adecuada en alcance y calidad como un requisito parcial para obtener el grado de Maestro en Ciencias en con Especialidad en Ingeniería Energética. Comité de Tesis: _______________________ Jonathan C. Mayo Maldonado Tecnológico de Monterrey Escuela de Ingeniería y Ciencias Asesor principal _______________________ Dr. Jesús E. Valdez Reséndiz Tecnológico de Monterrey Co-asesor. _______________________ Dr. Osvaldo Micheloud Vernackt Tecnológico de Monterrey Sinodal. _______________________ Dr. Rubén Morales Menéndez Director Nacional de Posgrado Escuela de Ingeniería y Ciencias. Monterrey Nuevo León. Mayo de 2017.

(3) Declaración de autoría Yo, Carlos Alberto Villarreal Hernández, declaro que esta tesis titulada “Modelado y control de un convertidor CD-CD boost intercalado”, y el trabajo que se presenta en ella es de mi autoría. Adicionalmente, confirmo que:. •. Realicé este trabajo en su totalidad durante mi candidatura al grado de maestro en esta universidad.. •. He dado crédito a cualquier parte de esta tesis que haya sido previamente sometida para obtener un grado académico o cualquier otro tipo de titulación en esta o cualquier otra universidad.. •. He dado crédito a cualquier trabajo previamente publicado que se haya consultado en esta tesis.. •. He citado el trabajo consultado de otros autores, y la fuente de donde los obtuve.. •. He dado crédito a todas las fuentes de ayuda utilizadas.. •. He dado crédito a las contribuciones de mis coautores, cuando los resultados corresponden a un trabajo colaborativo.. •. Esta tesis es enteramente mía, con excepción de las citas indicadas.. ___________________________ Ing. Carlos Alberto Villarreal Hernández. Monterrey Nuevo León, Mayo de 2017. @2017 por Ing. Carlos Alberto Villarreal Hernández Todos los derechos reservados.

(4) Dedicatoria. A mis padres Rosa y Javier. A mi hermana Alexandrina. A mis sobrinos Leonardo y Valentina..

(5) Agradecimientos. Agradezco al Tecnológico de Monterrey y al CONACYT, ya que sin el apoyo brindado por dichas instituciones este proyecto no se hubiera podido llevar a cabo. Gracias a mi familia, siempre creyendo en mí e impulsándome a cumplir mis metas y sueños. Quiero agradecer al Dr. Osvaldo Micheloud Vernackt por los consejos y la atención brindada. Un especial agradecimiento a mi asesor el Dr. Jonathan C. Mayo Maldonado y al Dr. Jesús E. Valdez Reséndiz, ya que gracias a su apoyo y consejos esta investigación pudo llevarse a cabo. También agradecer al M.C. Omar Erives Sánchez ya que, gracias a sus años de experiencia, me ayudó con consejos sobre mi proyecto. Gracias a todos en el consorcio empresarial, por hacer de esta una experiencia única, de la cual no solamente gané conocimiento, sino también buenas amistades..

(6) Modelado y control de un convertidor CD-CD boost intercalado por Ing. Carlos Alberto Villarreal Hernández Resumen. Esta tesis está enfocada en el desarrollo y el control de un convertidor corriente directa a corriente directa (CD-CD). La topología propuesta está diseñada considerando como aplicación la energía solar, de tal forma que cumpla con los requerimientos que este tipo de recurso renovable necesita. Otras aplicaciones para la topología son las celdas de combustible y los vehículos eléctricos. El convertidor propuesto es de tipo intercalado, con alta ganancia y con capacidad de eliminación del rizo de corriente a la entrada. Esta última característica es altamente deseable en un convertidor, pues se ha demostrado que la presencia de rizo de corriente disminuye la vida útil de paneles solares y su eficiencia. La ventaja que se presenta sobre otras topologías, es la posibilidad de seleccionar el punto de operación arbitrario donde se cancela el rizo de corriente. Esto representa una ventaja sobre otras topologías cuyo punto de operación está restringido. Adicionalmente, como es bien sabido, la energía solar es intermitente y esto representa un problema para la red eléctrica que requiere niveles de voltaje nominales. Ante esto se propone un controlador, capaz de mantener el voltaje de salida constante ante perturbaciones a la entrada. El presente documento muestra el proceso a seguir para poder diseñar e implementar la topología propuesta. Se comienza por conceptos fundamentales, revisando alternativas actuales, mostrando el proceso de selección de componentes y por último la implementación del control sobre el sistema real. Se presentan los resultados del análisis teórico, la validación del convertidor por medio de simulaciones realizadas en software, así como resultados de forma experimental donde se muestra el funcionamiento del convertidor, la cancelación del rizo de corriente a la entrada y el desempeño del controlador ante perturbaciones a la entrada.. i.

(7) Contenido Resumen....................................................................................................................................... i Lista de figuras ............................................................................................................................... iv Lista de tablas ............................................................................................................................... vii Capítulo 1. Introducción .............................................................................................................. 1. 1.1. Definición del problema ................................................................................................... 5. 1.2. Objetivos del proyecto ..................................................................................................... 6. Capítulo 2. Electrónica de Potencia ............................................................................................. 9. 2.1 Convertidores de Potencia .................................................................................................... 9 2.2 Principios básicos de operación en convertidores CD-CD ................................................. 13 2.2.1 Principio de reducción de voltaje ................................................................................. 13 2.2.2 Principio de elevación de voltaje ................................................................................. 16 2.3 Topologías de convertidores DC-DC.................................................................................. 23 2.3.1 El convertidor Buck-Boost .......................................................................................... 23 2.3.2 El convertidor Buck-Boost no inversor ....................................................................... 24 2.3.3 El convertidor de Cuk .................................................................................................. 25 2.3.4 El convertidor de alto voltaje de 3 interruptores .......................................................... 27 2.4 Limitaciones de las topologías básicas de convertidores .................................................... 28 2.4.1 Alternativas para disminuir el rizo de entrada en convertidores DC-DC .................... 31 Capítulo 3. Alternativas actuales ............................................................................................... 33. 3.1 Métodos para cancelación de rizo ....................................................................................... 33 3.1.1 Convertidor tipo “Doble Dual Boost” Intercalado....................................................... 33 3.1.2 Inductores acoplados .................................................................................................... 34 3.1.3 Convertidor CD-CD Pre-regulador para reducción del rizo de corriente .................... 35 3.2 Métodos para elevación de voltaje ...................................................................................... 36 3.2.1 Convertidores con transformadores o inductores acoplados ....................................... 36 3.2.3 Convertidor Multinivel tipo Boost ............................................................................... 37 3.3 Limitaciones de las topologías alternativas actuales .......................................................... 38 3.3.1 Métodos para cancelación del rizo de corriente. .......................................................... 38 3.3.2 Métodos para elevar el voltaje de salida ...................................................................... 39 Capítulo 4. Desarrollo de la Topología Propuesta ..................................................................... 41. 4.1 Convertidor Boost Multinivel ............................................................................................. 42 ii.

(8) 4.1.1 Reducción de orden del modelo ................................................................................... 45 4.2 Convertidor multinivel Cuk modificado ............................................................................. 46 4.3 Topología propuesta............................................................................................................ 48 4.4 Cancelación del rizo de corriente a la entrada .................................................................... 50 Capítulo 5. Teoría de control ..................................................................................................... 53. 5.1 Sistemas no lineales ............................................................................................................ 54 5.2 Linealización aproximada ................................................................................................... 55 5.3 Diseño del controlador por ubicación de polos................................................................... 57 5.3.1 Integrador del sistema .................................................................................................. 60 5.4 Aplicación del control al convertidor ................................................................................. 62 Capítulo 6. Prototipo experimental ............................................................................................ 65. 6.1 Convertidor Intercalado ...................................................................................................... 65 6.2 Circuito de disparo .............................................................................................................. 75 6.3 Circuito de alimentación a los sensores .............................................................................. 76 6.4 Circuito impreso.................................................................................................................. 79 6.5 Prototipo Experimental ....................................................................................................... 87 Capítulo 7. Simulación y resultados experimentales del lazo de control .................................. 91. 7.1 Simulaciones computacionales ........................................................................................... 91 7.2 Simulación del sistema controlado ..................................................................................... 94 7.3 Resultados experimentales ................................................................................................ 100 7.3.1 Operación del convertidor a lazo abierto ................................................................... 101 7.3.2 Operación del convertidor a lazo cerrado .................................................................. 103 Capítulo 8. Conclusiones y trabajo futuro ............................................................................... 111. Anexos ........................................................................................................................................ 113 Referencias .................................................................................................................................. 123 Curriculum Vitae ........................................................................................................................ 125. iii.

(9) Lista de figuras Fig. 1.1 Consumo y generación de electricidad en Dinamarca [2] ................................................. 1 Fig. 1.2 Generación eléctrica en México [3]................................................................................... 2 Fig. 1.3 Distribución Energética en México [3]. ............................................................................ 2 Fig. 1.4 Comparativa del costo de generación entre solar y eólica [4] ........................................... 3 Fig. 2.1 Conversión de potencia eléctrica ....................................................................................... 9 Fig. 2.2 Conversión de potencia eléctrica ..................................................................................... 10 Fig. 2.3 Esquema de conexión de un panel solar .......................................................................... 10 Fig. 2.4 Esquema de conexión de un convertidor CD-CD ........................................................... 11 Fig. 2.5 Generación del PWM ...................................................................................................... 12 Fig. 2.6 Semiconductores de potencia [8] .................................................................................... 13 Fig. 2.7 Principio de operación de disminución de voltaje ........................................................... 14 Fig. 2.8 Formas de onda del principio de disminución de voltaje ................................................ 14 Fig. 2.9 Convertidor tipo buck ...................................................................................................... 15 Fig. 2.10 Formas de onda del convertidor buck. [8] ..................................................................... 16 Fig. 2.11 Principio de elevación de voltaje ................................................................................... 17 Fig. 2.12 Convertidor tipo boost ................................................................................................... 17 Fig. 2.13 Interruptor cerrado en convertidor tipo boost ................................................................ 18 Fig. 2.14 Interruptor abierto en convertidor tipo boost ................................................................. 18 Fig. 2.15 Formas de onda del convertidor boost [8]. .................................................................... 20 Fig. 2.16 Modo de conducción continuo [11]. .............................................................................. 21 Fig. 2.17 Modo de conducción discontinuo [11]. ......................................................................... 22 Fig. 2.18 Convertidor buck-boost ................................................................................................. 23 Fig. 2.19 Formas de onda-buck-boost [8] ..................................................................................... 24 Fig. 2.20 Convertidor buck-boost no inversor .............................................................................. 25 Fig. 2.21 Convertidor de Cuk ....................................................................................................... 26 Fig. 2.22 Formas de onda-Cuk [8] ................................................................................................ 26 Fig. 2.23 Convertidor Cuk-modificado ......................................................................................... 27 Fig. 2.24 Gráfica-Ganancia vs ciclo de trabajo [11] ..................................................................... 28 Fig. 2.25 Gráfica-Eficiencia vs ciclo de trabajo para 𝑅𝐿 ≠ 0 [11] ............................................... 29 Fig. 2.26 Rizo de corriente ........................................................................................................... 29 Fig. 3.1 Convertidor intercalado doble boost [16] ........................................................................ 33 Fig. 3.2 Filtro de rizado cero [17] ................................................................................................. 35 Fig. 3.3 Pre-regulador para la eliminación del rizo [18] ............................................................... 35 Fig. 3.4 Convertidor boost con inductor derivado [19] ................................................................ 36 Fig. 3.5 Nx MBC [20] ................................................................................................................... 37 Fig. 3.6 Convertidor multinivel con 2 etapas [20] ........................................................................ 37 Fig. 4.1Convertidor de 3 interruptores con "N" etapas de elevación ............................................ 42 Fig. 4.2 Boost multinivel con 2 etapas de elevación..................................................................... 42 Fig. 4.3 Boost multinivel (𝐷 = 1) ................................................................................................ 43 Fig. 4.4. Circuito equivalente del boost multinivel (𝐷 = 0)......................................................... 44 Fig. 4.5 Convertidor multinivel Cuk modificado con 2 etapas de elevación ................................ 46 iv.

(10) Fig. 4.6 Circuito equivalente del Cuk modificado multinivel (𝐷 = 1) ........................................ 46 Fig. 4.7. Circuito equivalente del Cuk modificado multinivel (D=0)........................................... 47 Fig. 4.8 Convertidor Intercalado con 4 etapas de elevación ......................................................... 49 Fig. 4.9 Relación entre inductores para cancelación de rizo en la topología propuesta ............... 52 Fig. 5.1 Sistema de control [23] .................................................................................................... 53 Fig. 5.2 Esquema de control en lazo abierto [23] ........................................................................ 53 Fig. 5.3 Esquema de control en lazo cerrado ................................................................................ 54 Fig. 5.4 Valores nominales de operación del sistema ................................................................... 55 Fig. 5.5 Punto nominal de operación del sistema [24] .................................................................. 56 Fig. 5.6 Plano "s" .......................................................................................................................... 59 Fig. 5.7 Implementación típica de retroalimentación de estados .................................................. 61 Fig. 5.8 Esquema de control utilizado .......................................................................................... 64 Fig. 6.1 Conexión comercial de un panel solar ............................................................................. 66 Fig. 6.2. Gráfica-Ganancia vs Ciclo de trabajo ............................................................................ 67 Fig. 6.3 Comparación del porcentaje de rizo de corriente entre la topología propuesta y las tradicionales .................................................................................................................................. 73 Fig. 6.4 Región de operación del convertidor ............................................................................... 74 Fig. 6.5 Circuito de disparo........................................................................................................... 75 Fig. 6.6 Circuito de alimentación a sensores ................................................................................ 76 Fig. 6.7 Sensor de corriente [28] ................................................................................................... 77 Fig. 6.8 Sensor de voltaje (Lem, 2017) ......................................................................................... 78 Fig. 6.9 Esquemático del circuito de disparo ................................................................................ 81 Fig. 6.10 Esquemático del circuito de alimentación a sensores .................................................... 82 Fig. 6.11 Esquemático del convertidor intercalado ...................................................................... 83 Fig. 6.12 PCB del circuito de disparo ........................................................................................... 84 Fig. 6.13 PCB del circuito de sensores ......................................................................................... 85 Fig. 6.14 Capa superior del convertidor........................................................................................ 85 Fig. 6.15 Capa inferior del convertidor ......................................................................................... 86 Fig. 6.16 PCB del convertidor ...................................................................................................... 86 Fig. 6.17 Circuito de disparo......................................................................................................... 87 Fig. 6.18 Circuito de sensores ....................................................................................................... 87 Fig. 6.19 Convertidor intercalado-vista frontal............................................................................. 88 Fig. 6.20 Convertidor intercalado-vista trasera............................................................................. 88 Fig. 6.21 Conexión de los 3 circuitos ........................................................................................... 89 Fig. 7.1 Modelo del convertidor ................................................................................................... 91 Fig. 7.2 Ciclos de trabajo .............................................................................................................. 92 Fig. 7.3 Voltaje de salida .............................................................................................................. 92 Fig. 7.4 Corrientes de entrada ....................................................................................................... 93 Fig. 7.5 Cancelación de rizo a la entrada ...................................................................................... 93 Fig. 7.6 Esquema de control ......................................................................................................... 94 Fig. 7.7 Ciclos de trabajo-control ................................................................................................. 95 Fig. 7.8 Señal de voltaje-control ................................................................................................... 95 Fig. 7.9 Señales de las corrientes-control ..................................................................................... 96 v.

(11) Fig. 7.10 Cancelación de rizo-control ........................................................................................... 96 Fig. 7.11 Respuesta del convertidor ante una entrada triangular .................................................. 97 Fig. 7.12 Ciclos de trabajo con una entrada triangular ................................................................. 97 Fig. 7.13 Respuesta del convertidor ante una entrada impulso-aumento ..................................... 98 Fig. 7.14 Ciclos de trabajo ante una entrada impulso-aumento .................................................... 98 Fig. 7.15 Respuesta del convertidor ante entrada impulso-disminución ...................................... 99 Fig. 7.16 Ciclos de trabajo ante una entrada impulso-disminución .............................................. 99 Fig. 7.17 Implementación del experimento ................................................................................ 100 Fig. 7.18 Implementación del experimento ................................................................................ 100 Fig. 7.19 Voltaje de salida en estado del convertidor intercalado .............................................. 101 Fig. 7.20 Corrientes de entrada en estado estable del convertidor intercalado ........................... 102 Fig. 7.21 Voltaje de salida del convertidor intercalado con el control implementado ............... 103 Fig. 7.22 Corrientes de entrada en el convertidor intercalado con el control implementado ..... 104 Fig. 7.23 Formas de onda con voltaje de entrada de 16.6 volts .................................................. 104 Fig. 7.24 Formas de onda con voltaje de entrada de 19.2 volts .................................................. 105 Fig. 7.25 Formas de onda con voltaje de entrada a 30.3 volts .................................................... 106 Fig. 7.26 Formas de onda con voltaje de entrada de 40.8 volts .................................................. 107 Fig. 7.27 Respuesta del convertidor ante perturbaciones a la entrada ........................................ 108 Fig. A.7.1 Código de Matlab para obtener las ganancias del controlador .................................. 122. vi.

(12) Lista de tablas Tabla 2.1 Efecto del rizo en la eficiencia de paneles solares [14] ................................................ 30 Tabla 6.1 Conexiones del sensor de corriente [27] ....................................................................... 76 Tabla A.1 Línea completa de paneles SolarLand de 12 y 24 volts ............................................. 113 Tabla A.2.1 Puntos de operación del convertidor intercalado .................................................... 114 Tabla A.2.2 Puntos de operación de convertidores con inductores iguales ............................... 114 Tabla A.3.1 Valores usados para obtener la Fig. 6.4 .................................................................. 115 Tabla A.3.2 Tabla para determinar el nivel de rizo ante disminución de voltaje ....................... 115 Tabla A.4 Componentes del circuito de drivers.......................................................................... 116 Tabla A.5 Componentes del circuito de sensores ....................................................................... 117 Tabla A.6 Componentes del circuito del convertidor ................................................................. 118. vii.

(13) Capítulo 1 Introducción El constante incremento en la demanda energética a nivel mundial ha provocado que países apuesten por invertir en generación renovable. Esta tendencia es registrada por el Consejo Mundial de Energía, el cual publica cada año el “Energy Trilemma Index” Este documento evalúa la capacidad de los países para poder generar energía sustentable. En el año 2016 el primer lugar fue otorgado a Dinamarca, el segundo y tercer lugar fueron otorgados a Suiza y a Suecia respectivamente, mientras que México obtuvo el lugar 52 [1]. El caso de Dinamarca representa un gran ejemplo de cómo la generación por medio de energía limpia puede sustituir de manera eficiente a los combustibles fósiles, su producción limpia se basa principalmente en la cantidad que Energinet (organismo encargado de la operación nacional del sistema de transmisión nacional danés) reporta. Este organismo muestra los logros en cuanto a la cantidad de energía renovable que se genera por medio de sus turbinas eólicas, esto lo podemos apreciar en la Fig. 1.1. Es de destacar como su generación ha ido subiendo en los últimos años y que su meta para el año 2025 consiste en generar alrededor del 80% de su energía a partir de fuentes limpias y que más del 50% provenga de energía eólica. Se reportó que el 42% de la energía consumida en Dinamarca fue proveniente de energía eólica, y podemos apreciar como la mayor parte es generación limpia (Solar, eólica, Cogeneración) [2] .. Fig. 1.1 Consumo y generación de electricidad en Dinamarca [2] 1.

(14) De manera comparativa en México, la Secretaría de Energía (SENER), en su Programa de Desarrollo del Sistema Eléctrico Nacional (PRODESEN) reportó que en México la generación se encontró distribuida como se muestra en la Fig. 1.2.. Fig. 1.2 Generación eléctrica en México [3]. Se puede notar como subió la demanda energética del país del año 2014 al año 2015, y se puede observar como aumentó la generación de electricidad a partir de energías limpias y se disminuyó la convencional. Un desglose de la cantidad de energía para cada tecnología de manera porcentual se muestra en la Fig. 1.3, donde se ilustra la diferencia que existe entre la energía generada de manera convencional frente a la energía limpia.. Fig. 1.3 Distribución Energética en México [3]. 2.

(15) México es un país favorecido por su ubicación geográfica, ya que se distingue por contar con gran variedad de ecosistemas y por ende variedad de fuentes de generación, como lo son, la hidroeléctrica, geotérmica, carboeléctrica, etc. De igual manera México tiene gran potencial eólico; se ubica dentro de los 20 países con mayor potencial de generación de energía por medio del viento, sin embargo, parte del territorio con capacidad eólica y solar aún no está siendo aprovechado. De acuerdo con la SENER, esto se debe a factores orográficos, ambientales, sociales y de factibilidad técnica y económica [3]. Con base en esto, al menos el potencial energético del recurso eólico es del orden de los 12,000 MW [4]. Cuando se pensaban en proyectos renovables, la atención se enfocaba en la energía más barata como lo era la energía eólica, sin embargo, se está presentando un cambio, ya que la energía solar es la energía más barata en diversos países, incluyendo China, India y Brasil [5]. Esto se debe gracias a diversos avances sobre el material con el cual son fabricadas las celdas solares usadas en los paneles. La Fig. 1.4 muestra cómo ha disminuido el precio de la energía solar, mientras que el precio de la energía eólica se ha mantenido casi constante.. Fig. 1.4 Comparativa del costo de generación entre solar y eólica [4]. Gracias a estos avances tecnológicos se ha podido hacer más atractiva la energía solar. Una demostración de la tendencia por la energía solar es la reciente noticia sobre la instalación de un parque solar en Viesca, Coahuila. En este municipio se tiene previsto contar con el segundo parque solar más grande del mundo, quedando solo por debajo del instalado en Longyangxia, China. El 3.

(16) parque solar en Viesca contará con más de 2.5 millones de paneles solares distribuidos en 2,700 hectáreas, con una capacidad de 754 MW, y se interconectará a la red eléctrica nacional [6]. Aunado a esto se tiene la reciente Reforma Energética en México, en donde se ha promovido la incorporación de energías limpias al sistema eléctrico nacional, incluyendo la inversión en transmisión para llevar a cabo la interconexión de la red con zonas del país con gran potencial de energías limpias. Además, se ha incorporado un esquema de “Certificados de Energías Limpias”, en el cual, la SENER determinará un porcentaje de energía que debe provenir de fuentes de generación limpias, por lo cual se ha vuelto obligatorio para los suministradores y los usuarios calificados que dicho porcentaje de su generación se encuentre dentro de tal rubro. Sumado a esto, se tiene fijado un objetivo para el 2024, en el cual el 35% de la generación deberá provenir de generación limpia. Esto es un argumento a favor para buscar la manera de incorporar las energías limpias a la red eléctrica nacional y así se abre un camino muy importante a las energías renovables [7]. Como se mencionó al inicio, la demanda de energía a combustibles fósiles se disminuye con la incorporación de fuentes de generación limpia al sistema eléctrico nacional, esto se traduce en menos emisiones de dióxido de carbono a la atmosfera, lo que también representa un beneficio de carácter ambiental. Es por esto que no solo las organizaciones gubernamentales, sino también la industria automotriz invierte millones de dólares anualmente para desarrollar nuevas tecnologías que permitan disminuir el impacto ambiental que tienen los vehículos en la actualidad, esto se logra con el desarrollo de vehículos eléctricos o híbridos. Mundialmente la inclinación por vehículos eléctricos ha ido en aumento, nuevamente Dinamarca es una muestra de ello; en la Fig. 1.1 se puede apreciar el incremento en su demanda de electricidad, esto lo explican por considerar el aumento que han tenido calentadores eléctricos, bombas de calor y los vehículos eléctricos. Debido a este aumento, en Dinamarca han pronosticado que la energía eléctrica destinada a cargar vehículos eléctricos constituya el .9% en el año 2025 [2]. Otros países que han optado por invertir en favor al medio ambiente son Estados Unidos, país en que circulan alrededor de 275 mil vehículos eléctricos e híbridos y cuenta con 22 mil electrolineras; Holanda por su parte cuenta con 44 mil vehículos y 15 mil electrolineras y en Noruega se tienen 40 mil vehículos y 6 mil estaciones de recarga [8]. A pesar de ser una tendencia mundial, en México el uso de vehículos eléctricos es reducido (alrededor de 200) debido a la falta de inversión para comercializar estos automóviles y para el. 4.

(17) abastecimiento de su energía. En respuesta a esto, y en vista del alto potencial que se observa en México, la Comisión Federal de Electricidad (CFE) y la Asociación Mexicana de la Industria Automotriz (AMIA) firmaron un convenio, en el cual se comprometen a desarrollar electrolineras e impulsar el uso de vehículos eléctricos [8]. Como podemos observar existe una tendencia mundial hacia la conciencia ambiental y a la incorporación de fuentes de energías limpias, pero como se mencionó, se está invirtiendo por el desarrollo de la tecnología y que siga siendo económicamente viable. Es decir, las reformas y convenios son solo una parte de la solución, la solución se complementa al resolver los problemas que se presentan tecnológicamente.. 1.1 Definición del problema. Hemos visto como en la industria de la energía se están dando grandes cambios debido a reformas estructurales y avances tecnológicos, estos cambios se han vuelto ya una necesidad para poder ser competitivos y para incentivar la generación limpia. Sin embargo, junto a esta necesidad se presentan grandes retos para la industria energética, donde se deben encontrar soluciones para incorporar las nuevas fuentes a la infraestructura actual, sin que esto represente un gran cambio, si ya se tienen determinados dispositivos, la nueva tecnología debe adaptarse en la medida de lo posible. Se mencionaron 2 áreas de desarrollo en el mercado de la energía, las fuentes renovables y los vehículos eléctricos. La principal limitante de los vehículos eléctricos y donde se genera más área de oportunidad, es el almacenamiento de energía, en particular, en baterías. Esta es un área que involucra trabajar con procesos químicos, por lo cual no será objeto de estudio de forma directa en esta tesis. Por otro lado, al hablar de fuentes de energía renovables surgen inconvenientes de transferencia de potencia que serán el tema principal de estudio en el desarrollo de esta tesis. Al hablar de fuentes de energía renovables de inmediato surgen inconvenientes que repercuten de manera directa para su aprovechamiento. Un problema es que su generación se da a niveles de bajo voltaje (decenas de volts), esto conlleva a la necesidad de introducir componentes que eleven dicho voltaje con el fin de interconectarse con la red. Normalmente este proceso se lleva a cabo con trasformadores; esto se ha hecho así, pues es la tecnología disponible, sin embargo, una disciplina 5.

(18) conocida como electrónica de potencia, la cual se caracteriza por el desarrollo de equipo formado por componentes pequeños, ha permitido el desarrollo de tecnología y de dispositivos que son capaces de realizar las mismas tareas que componentes mucho más grandes. Es en esta área de estudio encontramos dispositivos capaces de elevar el nivel de voltaje que se obtiene de una fuente de energía renovable, esto es, realizar una función similar a la de un transformador inclusive en corriente directa. Estos dispositivos son los convertidores electrónicos, existe variedad de topologías, algunos reducen, otros elevan el voltaje. Sin embargo, las topologías tradicionales presentan limitaciones en el desempeño. Una de estas limitaciones y que de forma particular se abordará en esta investigación, es el rizo de corriente que presentan a la entrada, es importante reducir esta característica que presentan los convertidores electrónicos, ya que la presencia de este rizo provoca que la vida útil de dicha fuente (paneles solares, celdas de combustible, baterías, etc.) se vea disminuida, además tiene un impacto directo en la eficiencia del sistema. Otro inconveniente que surge al momento de trabajar con energía renovable, es la intermitencia o su disponibilidad, esto es fácil de comprender si pensamos en el caso de un panel solar, ya que existen días muy soleados en los cuales la energía que podemos aprovechar es inmensa, sin embargo, hay días nublados que no permiten que la celda solar absorba gran cantidad de energía. Este comportamiento se refleja en la interrupción en la entrega de potencia por parte de la fuente, lo que representa un problema para la red eléctrica a la cual se encuentre conectada.. 1.2 Objetivos del proyecto. El propósito de este proyecto de tesis surge de observar la necesidad que se presenta en fuentes de energía renovables, particularmente en fuentes de generación solar, pues, como se expuso anteriormente, en este tipo de generación se espera un gran desarrollo en los próximos años, en México y en el mundo. Dicho esto, y teniendo en mente las limitaciones actuales que presenta la energía solar, se decidió explorar las alternativas que pueden existir. De manera general es el desarrollo de un dispositivo que sirva como interconexión entre una fuente de energía renovable y la red eléctrica, este dispositivo es un convertidor electrónico, sin embargo, y como se justificará más delante, las topologías de convertidores tradicionales presentan limitaciones e inconvenientes, como el previamente mencionado, rizo de corriente. Es por esto, que se propone una topología novedosa, que sea capaz de solucionar estos problemas. Al momento de desarrollar la nueva 6.

(19) topología se implementa una forma de análisis alternativa a la tradicional, pues, al igual que las topologías clásicas, los métodos de análisis clásicos presentan limitaciones, ejemplo de esto es que la topología nueva requiere de un análisis que trata con capacitores conmutados, esto se detallará en el Capítulo 4. Para el desarrollo de una nueva topología es importante considerar en el diseño el bajo nivel de voltaje que se presenta por parte de la fuente y el voltaje deseado a la salida. De igual forma habrá que considerar la intermitencia que se pueda presentar en el sistema. Con el objetivo de utilizar un esquema de control adicional para lograr que el voltaje de salida del dispositivo sea constante, aun cuando sabemos que es alimentado por una fuente intermitente. Se demuestra el funcionamiento del convertidor en base a simulaciones en programas computacionales, además de la construcción de un prototipo y pruebas experimentales sobre este último. Toda la teoría relacionada en la construcción y diseño del prototipo se expondrán a lo largo del documento, de igual manera los resultados experimentales y su comparación con las simulaciones.. 7.

(20) 8.

(21) Capítulo 2 Electrónica de Potencia Como vimos en el capítulo anterior, en las fuentes renovables hay un área de oportunidad para el desarrollo de tecnología. Sin embargo, estas necesidades no son nuevas, la necesidad de controlar el flujo de potencia siempre ha estado presente. De esta necesidad surge la búsqueda de nuevos dispositivos y métodos de control, el desarrollo de la tecnología es lo que ha impulsado este proceso. Fue en el siglo pasado cuando la electrónica tuvo su mayor impacto en este proceso de control, pues con el desarrollo de interruptores electrónicos, llamados semiconductores, es que este proceso se ha podido hacer más preciso y rápido. La electrónica de potencia es una disciplina cuyo objetivo es controlar y procesar el flujo de energía eléctrica. Esto involucra la mezcla de disciplinas como la electrónica y el control.. 2.1 Convertidores de Potencia. Para poder controlar y acondicionar la potencia eléctrica se necesita poder convertir de una forma a otra, esta acción es llevaba a cabo por medio de convertidores de potencia. Estos se encuentran dentro de las diferentes ramas que abarca el estudio de la electrónica de potencia y funcionan como el enlace entre una fuente generadora de energía y una carga. Es decir, acondicionan la señal de entrada a las características deseadas a la salida, se colocan entra la fuente de energía, que puede ser un panel solar o una turbina eólica, y la carga o dispositivo que requiera la señal adaptada. Esto se puede representar de forma sencilla en la Fig. 2.1:. Fig. 2.1 Conversión de potencia eléctrica 9.

(22) Existen diversos tipos de convertidores de potencia, que de acuerdo al tipo de conversión que efectúan se pueden clasificar en 4 tipos generales [9]: 1) Convertidores CA a CD, se les llama comúnmente rectificadores. 2) Convertidores CA-CA o cicloconvertidores. 3) Convertidores CD-CD o troceadores. 4) Convertidores de CD-CA, o inversores.. En la Fig. 2.2 se muestra las diferentes formas de conexión:. Fig. 2.2 Conversión de potencia eléctrica. Ya que el objetivo de esta tesis es diseñar un convertidor capaz de convertir la potencia que entrega una fuente de energía renovable (panel solar, celda solar), de maneras que pueda conectarse y entregar potencia a la red, se concluye que un área importante para estudiar son los dispositivos CD-CD pues, si consideramos que la conexión necesaria en un panel solar es la mostrada en la Fig. 2.3, la potencia recibida por el convertidor es en forma de corriente directa, así como la potencia que este entrega a un inversor de voltaje.. Fig. 2.3 Esquema de conexión de un panel solar 10.

(23) En el caso anterior se muestra una conexión con fuente de CD y como “carga” la red eléctrica en CA. Otra aplicación de los convertidores CD-CD se muestra en la Fig. 2.4, donde el esquema es inverso al anterior, en este caso la fuente es en CA y la carga en CD.. Fig. 2.4 Esquema de conexión de un convertidor CD-CD. El área de estudio de los convertidores CD-CD se divide básicamente en dos tipos: 1. Convertidores con aislamiento eléctrico 2. Convertidores sin aislamiento eléctrico Los convertidores con aislamiento eléctrico llevan un transformador entre la entrada de voltaje y el voltaje de salida. Esto es necesario en algunas aplicaciones donde la diferencia de voltaje entre la etapa de entrada y salida es considerable, ya sea en elevación o en reducción, además son necesarios por cuestiones de seguridad, donde se requiera aislar zonas que trabajen a diferente nivel de potencia. Los convertidores sin aislamiento eléctrico son dispositivos que se usan cuando se tiene una señal de CD no regulada a la entrada y a la salida del convertidor queremos una señal de CD controlada, comúnmente a un voltaje fijo. Se puede hacer la analogía con la función que cumple un transformador en corriente alterna, con la diferencia de que un convertidor CD-CD tiene una relación entrada-salida variable, como si se variará de forma continua la relación de vueltas en un transformador, Al igual que ocurre en los transformadores, un convertidor a la salida puede entregar un voltaje con una tensión mayor o menor al voltaje de entrada, esto depende de la topología. Entre algunas aplicaciones de estos dispositivos se encuentran motores de automóviles eléctricos, grúas marinas y elevadores de mina, esto debido a que proporcionan un control uniforme de aceleración, gran eficiencia y una rápida respuesta dinámica.. 11.

(24) El principio bajo el cual trabajan los convertidores CD-CD es regular una variable conocida como el ciclo de trabajo que se representa por la letra “D” este se puede modificar ya sea variando el tiempo de encendido (𝑡𝑜𝑛 ), el periodo completo (𝑇) o la frecuencia de conmutación. De manera general se tienen 2 métodos para controlar la potencia entregada por un convertidor: 1.- Operación a frecuencia constante: al mantenerse la frecuencia constante, se opta por variar el tiempo de encendido, de manera que se puede variar el ancho de pulso, también se le conoce como modulación por ancho de pulso (PWM) [9]. 2- Operación a frecuencia variable: en este caso el tiempo de encendido o el tiempo de apagado se mantiene constante, lo que varía es la frecuencia y es entonces cuando estamos modulando por frecuencia, sin embargo, su implementación produce armónicas a frecuencias impredecibles, lo cual dificultaría la implementación de un filtro [9]. La forma más sencilla de controlar estos convertidores es usando la técnica por PWM, esto se logra al comparar una señal de corriente directa, conocida como señal de referencia, con otra señal, a la cual se le conoce como portadora o moduladora, la cual puede variar en forma, pudiendo ser triangular, diente de sierra, etc. En la Fig. 2.5 se muestra un caso particular donde la señal portadora es una triangular.. Fig. 2.5 Generación del PWM. Para lo cual se determina el ciclo como:. 𝐷=. 𝑡𝑜𝑛 𝑇. 12. ( 2.1).

(25) Donde variando la señal moduladora desde 0 hasta al valor máximo de la señal portadora se puede variar el ciclo de trabajo desde 0 hasta 1, pudiendo controlar el tiempo en que llega la señal de disparo al interruptor. El interruptor que se controla en los convertidores, puede pertenecer a alguno de los siguientes dispositivos electrónicos de conmutación presentados en la Fig. 2.6 [9].. Fig. 2.6 Semiconductores de potencia [8]. La selección del interruptor dependerá del uso que tendrá y por lo tanto bajo qué condiciones de operación este sometido, algunos parámetros para tomar en cuenta al momento de seleccionarlo son: capacidad de voltaje y corriente, frecuencia de conmutación, pérdidas de conmutación, requisitos de activación de compuerta, temperatura de operación, resistencia térmica, etc. [9].. 2.2 Principios básicos de operación en convertidores CD-CD 2.2.1 Principio de reducción de voltaje Existen 2 principios básicos en la operación de los convertidores, el primero es el principio de disminución de voltaje a la salida. Este principio lo podemos observar en el circuito de la Fig. 2.7 13.

(26) y las gráficas del voltaje de salida en la Fig. 2.8. En el momento en que el interruptor está cerrado el voltaje es igual al de la fuente, sin embargo, cuando el interruptor está abierto el voltaje de salida es cero.. Fig. 2.7 Principio de operación de disminución de voltaje. Fig. 2.8 Formas de onda del principio de disminución de voltaje. Donde podemos deducir que el voltaje de salida (𝑉𝑜𝑢𝑡 ) es el resultado del voltaje promedio de la forma de onda, que de acuerdo a la Fig. 2.8 se representa como: 𝑉𝑝𝑟𝑜𝑚. 1 𝑡𝑜𝑛 = ∫ 𝑉𝑖𝑛 𝑑𝑡 𝑇𝑠 0. 𝑉𝑝𝑟𝑜𝑚 =. 𝑉𝑖𝑛 𝑡𝑜𝑛 𝑇𝑠. ( 2.2). ( 2.3). Al sustituir el valor del ciclo de trabajo de la ecuación (2.1) en la ecuación (2.3), se tiene que:. 14.

(27) 𝑉𝑝𝑟𝑜𝑚 = 𝑉𝑜𝑢𝑡 = 𝐷𝑉𝑖𝑛. ( 2.4). En este caso el voltaje promedio de salida se reduce, pues el valor del ciclo de trabajo no puede ser mayor a uno. Este principio de reducción de voltaje da origen a la primera topología básica de los convertidores de potencia, el convertidor buck, el cual se muestra en la Fig. 2.9.. Fig. 2.9 Convertidor tipo buck. El principio de funcionamiento de este circuito se divide en 2, dependiendo del estado del interruptor, si el interruptor se encuentra cerrado, en este modo la corriente fluye por el inductor, el capacitor y la resistencia. Por otro lado, cuando el interruptor se encuentra abierto no hay flujo de corriente por parte de la fuente, sin embargo, fluye corriente a través del diodo, de manera que los elementos que almacenan energía se descarguen a través de la resistencia. [10] Las gráficas que muestran el comportamiento de las variables más importantes en esta topología se muestran en la Fig. 2.10, se puede apreciar como durante 𝑡1 el interruptor se encuentra cerrado, por lo que la corriente que circula por el inductor aumenta gradualmente, en este proceso suponemos que la razón de incremento se da de forma lineal, además habrá que considerar que todo el componente medio de la corriente 𝐼𝐿 fluye a través de la carga, por lo que el excedente fluye a través del capacitor, lo que provoca un aumento en el voltaje de salida. Cuando el interruptor se abre, la corriente que suministra la fuente se corta de inmediato, lo que produce una disminución en la corriente que circula por la inductancia, cuando la corriente que fluye por la inductancia es menor al valor medio entregado a la carga, el capacitor se descarga por medio de la resistencia, lo que provoca una disminución en el voltaje de salida, esta disminución continua hasta el momento en que la corriente del inductor alcanza el valor medio entregado a la carga, para que. 15.

(28) esto ocurra tuvo que haberse cerrado nuevamente el interruptor en 𝑡2 , con lo que se repite el proceso.. Fig. 2.10 Formas de onda del convertidor buck. [8]. 2.2.2 Principio de elevación de voltaje Contrario al principio de reducción de voltaje, existe una forma de elevar el voltaje con la configuración adecuada, en este método se usa un circuito más complejo, el circuito se muestra en la Fig. 2.11.. 16.

(29) Fig. 2.11 Principio de elevación de voltaje. El principio de funcionamiento se divide de igual manera en 2 etapas, cuando el interruptor se encuentra en estado de conducción (𝑡1 ) el diodo esta polarizado inversamente, por lo tanto, no hay conducción entre la fuente y la resistencia, y la inductancia se carga, por otro lado, cuando el interruptor no conduce (𝑡2 ), el diodo se polariza directamente y por ende comienza a conducir permitiendo que la inductancia se descargue por la resistencia [10]. Para aplicaciones prácticas es necesario que el voltaje de salida sea lo más constante posible y para lograr esto se coloca un capacitor a la salida. En dado caso se tiene la base del segundo convertidor básico conocido como boost, la Fig. 2.12 muestra a un convertidor de este tipo.. Fig. 2.12 Convertidor tipo boost. Independientemente del tipo de convertidor, para su estudio se hace una simplificación en base a los estados de conmutación, es decir se considera que el interruptor se encuentra abierto o cerrado completamente, evitando así los fenómenos transitorios. Se muestra el análisis de este tipo aplicado al modelo del boost. Se comienza por dividir en 2 estados el convertidor de la Fig. 2.12 dependiendo de la posición del interruptor. Cuando el interruptor está cerrado se tiene la Fig. 2.13:. 17.

(30) Fig. 2.13 Interruptor cerrado en convertidor tipo boost. Aplicando leyes de Kirchhoff al circuito de la Fig. 2.13 obtenemos las ecuaciones (2.5) y (2.6).. 𝑑𝑖 = 𝑉𝑖𝑛 𝑑𝑡. ( 2.5). 𝑑𝑣 𝑉𝑜𝑢𝑡 =− 𝑑𝑡 𝑅. ( 2.6). 𝐿. 𝐶. Por otro lado, cuando se abre el interruptor, el circuito corresponde a la Fig. 2.14.. Fig. 2.14 Interruptor abierto en convertidor tipo boost. Nuevamente aplicando leyes de Kirchhoff a la Fig. 2.14 se obtienen las ecuaciones (2.7) y (2.8). 𝐿. 𝑑𝑖 = 𝑉𝑖𝑛 − 𝑉𝑜𝑢𝑡 𝑑𝑡. ( 2.7). 𝐶. 𝑑𝑣 𝑉𝑜𝑢𝑡 = 𝑖𝐿 − 𝑑𝑡 𝑅. ( 2.8). 18.

(31) Como se puede observar, para poder estudiar el circuito se debe analizar cada estado del interruptor, sin embargo, lo ideal es tener el menor número de ecuaciones que describan al sistema en su totalidad, para esto se utiliza el método conocido como “State Averaging” [11], en esta forma de análisis se combinan ambos estados, al incluir el ciclo de trabajo, donde 𝐷 = 1 si el interruptor esta encendido, y 𝐷 = 0 si el interruptor está apagado, mientras que cualquier valor intermedio está asociado al modelo promedio de voltaje y corrientes cuando ambos modos de conmutación están presentes durante un periodo de tiempo fijo, entonces se tienen las ecuaciones (2.9) y (2.10). 𝐿. 𝐶. 𝑑𝑖 = 𝑉𝑖𝑛 − (1 − 𝐷)𝑉𝑜𝑢𝑡 𝑑𝑡. ( 2.9). 𝑑𝑣 𝑉𝑜𝑢𝑡 = (1 − 𝐷)𝑖𝐿 − 𝑑𝑡 𝑅. ( 2.10). Estas ecuaciones nos sirven para poder conocer determinadas relaciones entre variables de entrada y salida, por ejemplo, para conocer el voltaje de salida podemos manipular la ecuación (2.9). Para esto habrá que suponer un estado estable, o lo que es lo mismo, la variación de corriente es igual a cero, como se muestra en la ecuación (2.11). 0 = 𝑉𝑖𝑛 − (1 − 𝐷)𝑉𝑜𝑢𝑡 ( 2.11). Resultando en una relación para el voltaje de salida con respecto a la entrada: 𝑉𝑜𝑢𝑡 =. 𝑉𝑖𝑛 1−𝐷. ( 2.12). Para poder obtener una relación con la corriente de entrada tenemos que, de la misma forma se considera en la ecuación (2.10) que en estado estable la corriente a través del capacitor es constante, resultando en la ecuación (2.13).. 19.

(32) 0 = (1 − 𝐷)𝑖𝐿 −. 𝑉𝑜𝑢𝑡 𝑅. ( 2.13). Que después de despejar la corriente de entrada resulta en: 𝑖𝐿 =. 𝑉𝑜𝑢𝑡 𝑅(1 − 𝐷). ( 2.14). Fig. 2.15 Formas de onda del convertidor boost [8].. En la Fig. 2.15 se presentan las gráficas del convertidor Boost, si analizamos la Fig. 2.13, en el momento en que el interruptor está cerrado, la inductancia se carga por la corriente que le 20.

(33) suministra la fuente, en este momento la corriente que pasa por la carga es proporcionada por el capacitor, este último mantiene su polaridad al cambiar la dirección de la corriente que pasa a través de él, lo que provoca que la corriente a la salida sea constante (considerando que el capacitor es lo suficientemente grande como para mantenerla constante), por otro lado en la Fig. 2.14, cuando el interruptor se abre, la fuente suministra energía a la inductancia, el capacitor y la carga, por lo que la inductancia se comienza a descargar, cargando al capacitor y alimentando a la carga. En el principio de elevación y en el de reducción, se puede observar como la corriente varía sobre un valor, esta variación de pico a pico se había mencionado antes, y se conoce como el rizo de la onda, pudiendo ser de voltaje o corriente. Es importante mencionar que esta forma de onda debe cumplir una condición importante de circuitos eléctricos conmutados, siempre y cuando el circuito se encuentre en modo de conducción continua, es decir que el valor de la corriente de entrada no llegue a cero durante el periodo de conmutación, la forma de onda corresponde a la Fig. 2.16, donde se muestran las áreas que corresponden a la magnitud del voltaje que se establece en el inductor, esto es consecuencia de la condición de estado estable, en el caso de un inductor se debe presentar un voltaje medio igual a cero, esto es [12]: 𝑇𝑠. ∫ 𝑣𝐿 𝑑𝑡 = 0 0. Lo cual lo podemos representar de la siguiente forma:. Fig. 2.16 Modo de conducción continuo [11].. 21. ( 2.15).

(34) Donde las áreas A y B deben ser iguales para cumplir con esta condición, si esto no se cumpliera, el voltaje en el inductor decrecería. Incluso cuando el convertidor opera en modo discontinuo, en donde la corriente llega al valor de cero, esto ocurre, por ejemplo, cuando la carga aumenta su resistencia, de manera que la corriente disminuya, y los demás parámetros de operación se conservan, como el voltaje medio del inductor debe ser igual a cero entonces el área del voltaje donde la corriente se vuelve discontinua debe aumentar, esto se puede ver en la Fig. 2.17.. Fig. 2.17 Modo de conducción discontinuo [11].. La explicación para este principio es que el flujo magnético en un inductor no puede cambiar de forma repentina y la integral del voltaje de un inductor es igual al cambio en el acoplamiento indirecto del inductor y el cambio neto de flujo que acopla al inductor en un periodo de repetición debe ser cero [12]. Una situación similar se da para los capacitores, con la diferencia que la variable a conservar es la carga, la cual no pude tener un cambio repentino. Para cumplir con esto la corriente media en un capacitor debe ser igual a cero, de esta manera la integral de la corriente, que es igual al voltaje del capacitor, se conserva invariante, esto para estado estable [12].. 22.

(35) 2.3 Topologías de convertidores DC-DC. En este capítulo se estudiarán las topologías comunes que surgen de la aplicación directa de los principios de elevación y reducción de voltaje que se expusieron anteriormente.. 2.3.1 El convertidor Buck-Boost. Este otro tipo de convertidor se obtiene con una combinación entre el convertidor elevador y el reductor, el circuito se muestra en la Fig. 2.18. En este tipo de configuración la ganancia del circuito puede ser mayor o menor, la diferencia fundamental es que la polaridad que presenta el voltaje en la salida es opuesta a la de la fuente [10].. Fig. 2.18 Convertidor buck-boost. Su funcionamiento se puede dividir en 2 etapas, cuando el transistor se encuentra encendido, el diodo tiene polaridad opuesta, por lo que la corriente pasa por el inductor, cuando el transistor se apaga la inductancia invierte su polaridad para mantener el flujo de corriente, de esta manera el diodo se polariza directamente y conduce permitiendo que la corriente fluya por el capacitor y la resistencia. El voltaje promedio de salida de esta topología está dado por la siguiente expresión:. 𝑉𝑜𝑢𝑡 =. 𝑉𝑖𝑛 𝐷 1−𝐷. 23. ( 2.16).

(36) Las gráficas de su comportamiento se muestran en la Fig. 2.19, de donde podemos observar como en 𝑡1 el interruptor está cerrado, por lo que la corriente de la inductancia comienza a crecer linealmente, durante este momento, la corriente que llega a la fuente es suministrada por el capacitor, por lo que el voltaje de este último va decreciendo. En 𝑡2 el interruptor se abre, con lo que el diodo al conducir, permite que la inductancia se descargue a través del capacitor y la resistencia, con lo que el capacitor se carga y su voltaje se incrementa.. Fig. 2.19 Formas de onda-buck-boost [8]. 2.3.2 El convertidor Buck-Boost no inversor. Este convertidor presenta la misma característica que el presentado anteriormente, es decir eleva o reduce el voltaje a la salida, pero con la única diferencia que su voltaje a la salida tiene la misma. 24.

(37) polaridad que el de la entrada. Para esto se utilizan 2 interruptores, el circuito es el mostrado en la Fig. 2.20.. Fig. 2.20 Convertidor buck-boost no inversor. El funcionamiento de este circuito se puede explicar de la siguiente forma, cuando el interruptor 𝑆1 𝑦 𝑆2 se cierran la inductancia se carga con la corriente de la fuente y los 2 diodos quedan polarizados inversamente, cuando los interruptores se abren los diodos se polarizan de manera directa lo que permite el flujo de corriente desde la inductancia hacia el capacitor y la resistencia. Si se considera que la única diferencia con la topología anterior es el cambio de signo en el voltaje de salida, entonces es:. 𝑉𝑜𝑢𝑡 =. 𝑉𝑖𝑛 𝐷 1−𝐷. ( 2.17). 2.3.3 El convertidor de Cuk. En la Fig. 2.21 tenemos el convertidor Cuk, el cual, tiene la misma ganancia que un regulador reductor-elevador, es decir, de igual manera proporciona un voltaje de salida con polaridad opuesta a la de la fuente, pudiendo tener un valor mayor o menor a esta última. Sin embargo, este convertidor presenta una ventaja respecto al convertidor reductor-elevador en el que la corriente de entrada es discontinua, y como ya se había mencionado esto afecta a la fuente. El principio de funcionamiento del convertidor comienza cuando el transistor esta encendido aumenta la corriente a través del inductor 1 y al mismo tiempo el capacitor polariza de manera inversa al diodo, de manera que este se bloquea, el capacitor 1 pasa su energía al capacitor 2 y la carga.. 25.

(38) Fig. 2.21 Convertidor de Cuk. Cuando el transistor está apagado el diodo queda polarizado de manera directa y el capacitor 1 se carga a través del inductor. La energía almacenada en el inductor 2 se transfiere a la carga. Las curvas características de este convertidor las podemos ver en la Fig. 2.22.. Fig. 2.22 Formas de onda-Cuk [8]. 26.

(39) 2.3.4 El convertidor de alto voltaje de 3 interruptores. Un tiempo después el convertidor de Cuk sufrió una pequeña modificación, se cambió la segunda inductancia por un diodo, esto sin modificar la corriente continua a la entrada, pero con un componente más compacto, ganando así espacio y reduciendo peso, al no tener una segunda inductancia se reduce la interferencia magnética. Este convertidor, al cual llamaremos “Cuk modificado” lo podemos ver en la Fig. 2.23 [13].. Fig. 2.23 Convertidor Cuk-modificado. Como podemos observar es similar al convertidor de Cuk, con la modificación que se hizo al segundo inductor a la salida, este último se reemplazó por un diodo, sin el segundo inductor la corriente continua a la salida ya no es posible, sin embargo, este convertidor es útil para aplicaciones donde se requiera alto voltaje y poca corriente de salida. El convertidor funciona de la siguiente manera: en el comienzo el interruptor S se enciende, como el voltaje que tiene el capacitor 1 es mayor al del capacitor 2, el diodo 2 se enciende y el diodo 1 se apaga por el voltaje opuesto en sus bornes. Así el capacitor 1 carga al capacitor 2. Cuando el interruptor se abre la corriente que pasa por el inductor hace que el diodo 1 conduzca, al mismo tiempo el diodo 2 ya no conduce por la polarización inversa, en este momento el capacitor 1 es cargado por la acción de la inductancia mientras que el capacitor 2 se descarga a través de la resistencia. La ecuación (2.18) proporciona el voltaje de salida para este convertidor. 𝑉𝑜𝑢𝑡 =. 𝑉𝑖𝑛 1−𝐷. 27. ( 2.18).

(40) 2.4 Limitaciones de las topologías básicas de convertidores. Al momento de trabajar con fuentes de energía renovable, es necesario tener alta ganancia, por lo cual es fácil pensar en el convertidor Boost o en el Cuk, sin embargo, como se verá en este capítulo estas topologías limitaciones como son: •. Ganancia limitada. La limitación en la ganancia que se puede lograr es debido al rango de operación del ciclo de trabajo de los convertidores, con el objetivo de mantener una buena eficiencia. Gráficamente para un convertidor boost se ve en la Fig. 2.24 como la ganancia tiende a infinito si no se considera la resistencia del inductor y demás pérdidas en el circuito, sin embargo, conforme el valor de resistencia va aumentando la curva se va modificando de manera que tiende a cero para un ciclo de trabajo unitario.. Fig. 2.24 Gráfica-Ganancia vs ciclo de trabajo [11]. Además de tener una ganancia menor a la teórica, el aumento en pérdidas provoca la caída en la eficiencia del convertidor, esto se puede ver en la Fig. 2.25, donde la eficiencia se mantiene prácticamente constante hasta un valor de .5 en el ciclo de trabajo, a partir de ahí comienza a disminuir, si se observa que en la Fig. 2.24 la ganancia es máxima alrededor de .9 de ciclo de. 28.

(41) trabajo, pero en la Fig. 2.25 este punto de operación muestra que se tiene una eficiencia muy baja de alrededor de un 50% del máximo que entregaría el convertidor.. Fig. 2.25 Gráfica-Eficiencia vs ciclo de trabajo para 𝑅𝐿 ≠ 0 [11]. Debido a este aumento en las pérdidas del sistema y a la baja eficiencia a un ciclo de trabajo alto, la operación normal de un convertidor tiene un rango entre .2 y .85 de ciclo de trabajo, esto es porque fuera de estos límites la operación se considera extrema. •. Rizo de corriente excesivo. El rizo en la corriente de entrada es una característica inherente a la conmutación de un convertidor boost o Cuk como se presentó en la sección 2.2.2 y en la 2.3.3 respectivamente. El rizo de corriente lo observamos en la Fig. 2.26.. Fig. 2.26 Rizo de corriente. 29.

(42) Algunos de los efectos que se presentan al tener un rizo grande de corriente son: •. Disminuye el periodo de vida de la fuente de energía a la que se encuentra conectado el convertidor, por ejemplo, los paneles fotovoltaicos.. •. Mayores pérdidas.. •. Aumenta el esfuerzo en los capacitores [14]. •. Aumenta el ruido que llega a la carga [14]. En particular en [14] se experimentó sobre el efecto que tiene el rizo de corriente en la eficiencia de los paneles solares, de manera resumida tenemos la Tabla 2.1, donde se muestran los resultados.. Tabla 2.1 Efecto del rizo en la eficiencia de paneles solares [14]. Relación entre el rizo de corriente a la entrada y la eficiencia de un panel solar para a) Convertidor en lazo abierto b) Convertidor en lazo cerrado a) Lazo abierto. b) Lazo cerrado. %𝐼𝑠𝑐. 𝑃𝑝𝑟𝑜𝑚𝑒𝑑𝑖𝑜. 𝑃𝑉 𝜂 (%). %𝐼𝑠𝑐. 𝑃𝑝𝑟𝑜𝑚𝑒𝑑𝑖𝑜. 𝑃𝑉 𝜂 (%). 5. 133.3. 98. 5. 132.3. 97.3. 10. 127.7. 93.9. 10. 129.9. 95.5. 20. 118.1. 86.8. 20. 127.6. 93.8. 30. 109.5. 80.5. 30. 122.2. 89.8. 40. 102.8. 75.6. 40. 116.2. 85.5. 50. 97.6. 71.8. 50. 110.3. 81.1. 60. 92.8. 68.3. 60. 103.3. 76. 70. 89.1. 65.4. 70. 96.7. 71.1. 80. 81.9. 60.2. 80. 74.7. 54.9. 90. 77.6. 57.1. 90. 41.4. 30.4. En la Tabla 2.1 se reportan los resultados experimentales que hicieron sobre paneles solares bajo diferentes niveles de rizo de corriente, tanto a lazo abierto como a lazo cerrado, la primera columna 30.

(43) muestra en porcentaje de rizo con respecto a la corriente de corto circuito que entregaba el panel solar, pasando por valores desde el 5% hasta un 90%, la eficiencia disminuye tanto en lazo abierto como en lazo cerrado. Esto de importancia, pues la eficiencia de un sistema en cascada es la multiplicación de las eficiencias individuales, por lo que la eficiencia global se vería disminuida. Es importante conocer una expresión matemática de este rizo, pues en base a ello se puede saber cómo disminuirlo. En particular nos interesa conocer el rizo de corriente en un convertidor tipo boost. Las ecuaciones del rizo de corriente están definidas en base a diversos elementos del convertidor, la relación se muestra a continuación dependiendo del estado del interruptor, el periodo de carga del inductor, es decir cuando el interruptor se encuentra activado, se analiza en la ecuación (2.19) y el periodo de descarga, es decir con el interruptor desactivado en la ecuación (2.20). 𝐿. 𝑑𝑖𝐿 = 𝑉𝑖𝑛 𝑑𝑡. 𝐿. ∆𝑖𝐿 = 𝑉𝑖𝑛 ∆𝑡. ∆𝑖𝐿 𝑉𝑖𝑛 = ∆𝑡 𝐿 ∆𝑖 =. 𝑉𝑖𝑛 𝐷𝑇 𝑉𝑖𝑛 𝐷 = 𝐿 𝑓𝐿. 𝐿. 𝑑𝑖𝐿 = 𝑉𝑖𝑛 − 𝑉𝑜𝑢𝑡 𝑑𝑡. 𝐿. ∆𝑖𝐿 = 𝑉𝑖𝑛 − 𝑉𝑜𝑢𝑡 ∆𝑡. ∆𝑖𝐿 𝑉𝑖𝑛 − 𝑉𝑜𝑢𝑡 = ∆𝑡 𝐿 ∆𝑖 =. ( 2.19). ( 2.20). (𝑉𝑖𝑛 − 𝑉𝑜𝑢𝑡 )(1 − 𝐷)𝑇 (𝑉𝑖𝑛 − 𝑉𝑜𝑢𝑡 )(1 − 𝐷) = 𝐿 𝑓𝐿. 2.4.1 Alternativas para disminuir el rizo de entrada en convertidores DC-DC Las ecuaciones que describen el rizo de corriente nos permite observar que el rizo de corriente depende de:. 31.

(44) •. Ciclo de trabajo. •. El valor de la inductancia. •. La frecuencia de conmutación. •. El voltaje de entrada. •. En el caso de la descarga aplica también el voltaje de salida. Esto nos reduce las opciones y variables a mover, si se quiere actuar directamente sobre el rizo, es decir, el voltaje de entrada no es una variable a controlar, pues lo ideal es un voltaje de entrada constante y en medida de lo posible se busca sea el mayor posible, entonces disminuirlo para reducir el rizo, no es conveniente. Deducimos entonces que si se desea reducir el rizo de corriente se tienen varias alternativas en cuanto al diseño: •. Aumentar la frecuencia de conmutación. •. Aumentar el tamaño de la inductancia “L”. •. Disminuir el ciclo de trabajo (con el interruptor activado). •. Aumentar el ciclo de trabajo (con el interruptor desactivado). Estas soluciones presentan sus limitaciones, como veremos en seguida: •. Si se piensa en aumentar la frecuencia se debe considerar que los dispositivos de conmutación tienen un tiempo de encendido y apagado, además al incrementar demasiado el número de conmutaciones se traduce en mayor número de pérdidas de conmutación.. •. Idealmente si incrementamos el tamaño de la inductancia el rizo se verá reducido, sin embargo, esto aumentaría el peso y haría más voluminoso al convertidor, además haría al sistema más lento.. •. El ciclo de trabajo representa un porcentaje de cuánto tiempo esta encendido el interruptor por lo que aumentarlo también está ligado a un mayor número de pérdidas, además como ya se había mencionado, lo ideal para un convertidor es trabajar dentro de un rango de ciclo de trabajo que abarca desde .2 a .85, ya que trabajando fuera de ese rango la eficiencia comienza a disminuir por el aumento de las pérdidas parásitas.. •. Otra solución comúnmente usada es el uso de un capacitor electrolítico grande a la entrada del convertidor, esto con el objetivo de filtrar la corriente de alta frecuencia del panel solar, pero desafortunadamente esta solución también es la causa del fallo del convertidor [15].. 32.

(45) Capítulo 3 Alternativas actuales Como se vio en el capítulo anterior las topologías convencionales son útiles en dispositivos que no requieran una gran ganancia o que sean sensibles a ruido. Con el paso del tiempo el interés por la electrónica de potencia y por explotar el potencial que esta tiene han propiciado que más investigadores se enfoquen en el desarrollo de nuevas topologías de convertidores. Existen topologías que compensan algunas de las limitaciones mencionadas en el capítulo anterior, veamos algunas de las relevantes, aunque esta es un área de oportunidad para el desarrollo pues no hay una topología que solucione todos los inconvenientes.. 3.1 Métodos para cancelación de rizo 3.1.1 Convertidor tipo “Doble Dual Boost” Intercalado. Fig. 3.1 Convertidor intercalado doble boost [16]. Este convertidor es el resultado de sobreponer 2 convertidores elevadores Boost, de manera que cada parte del circuito está compuesta por 2 inductores y sus correspondientes pares de switches como se muestra en la Fig. 3.1, en la resistencia, como se puede observar en la imagen, se presenta un voltaje equivalente a la suma de los 2 circuitos. El voltaje de salida se define con la siguiente relación:. 33.