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SEP SES DGEST
CENTRO NACIONAL DE INVESTIGACIÓN Y
DESARROLLO TECNOLÓGICO
cenidet “CONVERTIDOR CD/CD CON RIZO DE CORRIENTE REDUCIDO
Y SEGUIMIENTO DEL PUNTO DE MÁXIMA POTENCIA
PARA APLICACIONES FOTOVOLTAICAS”
T E S I S
QUE PARA OBTENER EL GRADO DE
MAESTRO EN CIENCIAS EN
INGENIERÍA ELECTRÓNICA P R E S E N T A:
ING. ISRAEL URIBE HERNÁNDEZ
DIRECTOR DE TESIS:
DR. JORGE HUGO CALLEJA GJUMLICH
Cuernavaca, Morelos, Méx. Marzo 2006.
2
Dedicatorias
- A Dios, por brindarme la oportunidad y capacidad para afrontar nuevos retos y
por poner en mi camino a personas tan valiosas para salir adelante.
- A mi papá, Arturo Uribe, por todo su cariño, sus ejemplos y por su apoyo
incondicional durante esta etapa de mi vida.
- A mi mamá, Martha Hernández, por todo su amor y sacrificio para formar lo
mejor de mí.
- A mis hermanitos: Omar, Arturo, Miguel y Rox, los quiero mucho.
- A Norma Espinoza, por todo su amor, cariño, paciencia y motivación.
- A mis tíos: Gustavo, Antonio, Néstor, Sergio, Ignacio, Fabiola y Ofelia por
creer en mí. Y a mis abuelos: Víctor y Crecencia, gracias por su fe.
3
Agradecimientos
- A mi director de tesis, Dr. Jorge Hugo Calleja Gjumlich, por su paciencia y los
invaluables conocimientos que me aporto durante el desarrollo de la tesis.
Gracias por su confianza, sus consejos y su amistad.
- A mi comité revisor integrado por: Dra. María Cotorogea Pfeifer, Dr. Mario
Ponce Silva y Dr. Jaime Arau Roffiel. Gracias por sus consejos y orientación
para concluir de buena manera este trabajo.
- A mis profesores Dr. Carlos Aguilar, Dr. Abraham Claudio y Dr. Francisco
Canales por sus enseñanzas.
- A mis compañeros de generación: Javier A. Molina, Abraham Cortes, Luís A.
Sorcia, Gerardo Vázquez, Ernesto E. Vidal, Edson López, Maxim Méndez y José
Luís Rullan por su amistad, su apoyo moral y académico brindado para salir
adelante.
- Al Dr. José Hoyo por su amistad y útiles consejos en el laboratorio, y a
Rigoberto Martínez por la ayuda que me brindo.
- Al Instituto de Investigaciones Eléctricas (IIE) por el apoyo brindado en el
desarrollo de este trabajo, particularmente al M. C. Humberto R. Jiménez G.
- Al Consejo Nacional de Investigación y Desarrollo Tecnológico (CONACYT) y
a la Secretaría de Educación Publica (SEP) por el apoyo económico que me
brindaron para conseguir este logro.
- Al Centro Nacional de Investigación y Desarrollo Tecnológico (CENIDET) por
permitirme desarrollarme profesionalmente y por todo el conocimiento
adquirido.
4
Convertidor CD/CD con Rizo de Corriente Reducido y Seguimiento del
Punto de Máxima Potencia para Aplicaciones Fotovoltaicas
Resumen
Este trabajo de tesis presenta el diseño y la construcción de un convertidor CD/CD tipo
elevador entrelazado de dos etapas para sistemas fotovoltaicos (FV). Este convertidor se
diseñó para operar a una potencia máxima de 1000W, y la frecuencia de conmutación de
los transistores es de 75 kHz. El control implementado mantiene el convertidor operando
en el régimen de seguimiento del punto de máxima potencia (PMP), demandando una
corriente constante a los paneles FV.
Las pruebas de potencia se realizaron en el CENIDET y las pruebas de
seguimiento del PMP se realizaron en el Instituto de Investigaciones Eléctricas con
paneles FV. Con el fin de obtener variaciones abruptas en la corriente de salida, en
algunas pruebas se utilizó un troceador como carga. En ambos casos se obtuvieron
resultados satisfactorios. A pesar de que los transistores operan con conmutación dura,
se obtuvieron valores de eficiencia por arriba del 95%.
5
CD/CD Converter with Reduced Current Ripple and Maximum Power
Point Tracking for Photovoltaic Applications
Abstract
This thesis presents the design and construction of a two-stage interleaved boost DC/DC
converter aimed at photovoltaic systems (PV). The converter was designed for 1000W
maximum power operation. The implemented control maintains the converter operating
in the maximum power point tracking regime (MPP), while drawing a steady current
from the PV panels.
Power tests were performed at CENIDET, and the MPP tracking tests were
performed at the Instituto de Investigaciones Eléctricas, with PV panels. In order to
obtain abrupt variations in the output current, in several tests a circuit chopper was used
as a load. All tests performed yielded satisfactory results. The measured efficiency was
higher than 95%, in spite of the fact that the transistors operate in the hard-switching
regime.
i
TABLA DE CONTENIDO
LISTA DE FIGURAS v
LISTA DE TABLAS vii
NOTACIÓN ix
CAPÍTULO 1
INTRODUCCIÓN 1
1.1 Ubicación y planteamiento del problema 1
1.2 Revisión del estado del arte 4
1.2.1 Topologías no aisladas 5
1.2.1.1 Topología con convertidor reductor (buck) 5
1.2.1.2 Topología con convertidor elevador (boost) 5
1.2.1.3 Topología con convertidores tipo elevador entrelazados
(interleaved) 6
1.2.2 Topologías aisladas 8
1.2.2.1 Topología de convertidor cuasi-resonante 8
1.2.2.2 Convertidor CD/CD con inductancias acopladas 8
1.2.2.3 Convertidor CD/CD con dos transformadores 9
1.2.3 Conclusiones de la revisión del estado del arte 10
1.3 Objetivos 11
1.3.1 Objetivo general 11
1.3.2 Objetivos particulares 11
1.4 Alcances y aportaciones 11
1.5 Hipótesis 12
CAPÍTULO 2
CONVERTIDOR DE POTENCIA 13
2.1 Análisis y diseño del convertidor 13
2.1.1 Análisis matemático del convertidor 14
2.1.2 Especificaciones del convertidor 20
2.1.3 Diseño del convertidor 21
2.1.3.1 Diseño de los inductores 24
2.1.3.1 Selección de los interruptores y diodos 25
Convertidor CD/CD con Rizo de Corriente Reducido y Seguimiento del Punto de Máxima Potencia
para Aplicaciones Fotovoltaicas.
ii
2.1.3.3 Eficiencia teórica 26
2.1.3.4 Selección del disipador para los interruptores 28
2.2 Simulaciones del convertidor 31
2.3 Conclusiones 36
CAPITULO 3
ESQUEMA DE CONTROL 37
3.1 Funcionamiento 37
3.2 Algoritmo para el seguimiento del PMP 38
3.4 Requerimientos de hardware 40
3.4.1 Sensado de corriente de los paneles FV 41
3.4.2 Sensado de voltaje de los paneles FV 42
3.4.3 Acondicionamiento de las señales de control 42
3.3 Programación 47
3.3.1 Medición de la potencia instantánea 47
3.3.2 Operación del convertidor a potencia constante y con el
seguimiento del PMP 50
3.5 Requerimientos para el funcionamiento del convertidor 51
3.6 Conclusiones 53
CAPÍTULO 4
CONSTRUCCIÓN Y PRUEBAS 55
4.1 Introducción 55
4.2 Construcción del convertidor 56
4.3 Pruebas realizadas en el CENIDET 57
4.3.1 Regulación de carga 57
4.3.2 Regulación de línea y eficiencia 59
4.3.3 Pruebas de respuesta dinámica 60
4.3.4 Rizos de corriente 63
4.3.5 Operación del convertidor con un troceador como carga 66
4.4 Pruebas realizadas en el IIE 69
4.4.1 Características de los paneles FV 69
4.4.2 Seguimiento del PMP 70
4.4.3 Eficiencia del convertidor 72
Tabla de contenido.
iii
4.4.4 Operación con troceador y panel FV 73
4.5 Conclusiones 75
CAPÍTULO 5
CONCLUSIONES Y TRABAJOS FUTUROS 77
5.1 Conclusiones 77
5.2 Trabajos futuros 79
REFERENCIAS 81
APÉNDICE A. Diagramas esquemáticos 85
APÉNDICE B. Diagramas de flujo 89
Convertidor CD/CD con Rizo de Corriente Reducido y Seguimiento del Punto de Máxima Potencia
para Aplicaciones Fotovoltaicas.
iv
v
LISTA DE FIGURAS
Fig. 1-1) Relación existente entre la curva de demanda de energía eléctrica 2
Fig. 1-2) Curva característica del PMP con respecto al voltaje 3
Fig. 1-3) Comportamiento de la potencia FV con respecto a la irradiación (a) y (b) 4
Fig. 1-4) Convertidor reductor para sistemas FV presentado en [2] 5
Fig. 1-5) Convertidor elevador para sistemas FV 6
Fig. 1-6) Topología con dos convertidores tipo elevador entrelazado (interleaved) 7
Fig. 1-7) Implementación del convertidor cuasi-resonante en un sistema FV 8
Fig. 1-8) Convertidor CD/CD usando la técnica de inductores acoplados 9
Fig. 1-9) Convertidor CD/CD con dos transformadores 10
Fig. 2-1) Convertidor elevador: a) esquema general; b) modo I de operación; 14
Fig. 2-2) Principales formas de onda del convertidor. 15
Fig. 2-3) Curvas del comportamiento de la corriente en el inductor 23
Fig. 2-4) Flujo de calor, temperaturas y resistencias térmicas en el interruptor 29
Fig. 2-5) Representación del sistema térmico en arreglo de resistencias 29
Fig. 2-6) Características físicas del disipador seleccionado 31
Fig. 2-7) Convertidor elevador entrelazado de dos etapas simulado 32
Fig. 2-8) Simulaciones del voltaje de salida, corrientes (ICD, IL1 e IL2) y potencia 33
Fig. 2-9) Detalle en los rizos de las corrientes IL1, IL2 e ICD 34
Fig. 2-10) Convertidor entrelazado con un troceador como carga 34
Fig. 2-11) Simulación de los principales parámetros del convertidor 35
Fig. 3-1) Diagrama de flujo del algoritmo de localización del PMP 39
Fig. 3-2) Proceso de seguimiento del PMP 40
Fig. 3-3) Diagrama de bloques del esquema de control para el lazo cerrado 40
Fig. 3-4) Sensado de la corriente FV y protección contra sobrecorriente (SC) 41
Fig. 3-5) Sensado del voltaje FV y aislamiento de las señales 42
Fig. 3-6) Rampa generada por el TL494 y el intervalo de comparación 44
Fig. 3-7) Recta de voltajes entre el potenciómetro digital y el TL494 44
Fig. 3-8) Generación de las señales de control a partir del código enviado por el micro 46
Fig. 3-9) Protocolo de tiempos para la medición de la corriente FV 48
Fig. 3-10) Protocolo de tiempos para la medición de voltaje 48
Fig. 4-1) Prototipo de convertidor interleaved con sus etapas individuales 57
Fig. 4-2) Comportamiento de la potencia Po (arriba) y voltaje de salida Vo (abajo) 58
Fig. 4-3) Potencia de entrada y salida del convertidor a 1000W (arriba) 60
Fig. 4-4) Medición del voltaje, corriente y potencia en la salida del convertidor 61
Fig. 4-5) Medición del voltaje, corriente y potencia de salida 62
Convertidor CD/CD con Rizo de Corriente Reducido y Seguimiento del Punto de Máxima Potencia
para Aplicaciones Fotovoltaicas.
vi
Fig. 4-6) Pico de potencia generado por el escalón de carga de 44Ω a 58Ω (arriba) 62
Fig. 4-7) Corriente de entrada (ICD) y corrientes a través de los inductores (IL1 e IL2) a
1000W 64
Fig. 4-8) Espectro en frecuencia de la corriente a través de IL1 e IL1 64
Fig. 4-9) Espectro en frecuencia de la corriente ICD 65
Fig. 4-10) Medición de la magnitud del rizo de la corriente de alimentación 65
Fig. 4-11) Convertidor entrelazado con un troceador como carga 66
Fig. 4-12) Esquema obtenido para la prueba y puntos de las mediciones realizadas 66
Fig. 4-13) Mediciones realizadas al convertidor con un troceador como carga 67
Fig. 4-14) Corriente de entrada y corriente demandada al convertidor con troceador 68
Fig. 4-15) Voltaje de salida y potencia demandada al convertidor por el troceador 68
Fig. 4-16) Paneles FV del IIE utilizados para pruebas 70
Fig. 4-17) Comportamiento del voltaje y corriente del panel FV (arriba); 70
Fig. 4-18) Campana de irradiación bajo tres condiciones climatológicas 71
Fig. 4-19) Comportamiento de la irradiación y la potencia demandada al panel FV 72
Fig. 4-20) Medición de la irradiación, potencia FV y potencia de salida (arriba); 73
Fig. 4-21) Medición de corrientes y potencia con troceador y panel FV 74
vii
LISTA DE TABLAS
Tabla 1-1. Principales características de topologías en sistemas FV
aplicando convertidor elevador 6
Tabla 1-2. Principales características de topologías con convertidores
tipo elevador entrelazados 6
Tabla 4-1. Valores medidos de Vo, Io, y Po, en la prueba de regulación
de carga 58
Tabla 4-2. Datos obtenidos de la prueba en regulación de línea 59
Tabla 5-1. Características principales de topologías implementadas en
sistemas FV 78
Convertidor CD/CD con Rizo de Corriente Reducido y Seguimiento del Punto de Máxima Potencia
para Aplicaciones Fotovoltaicas.
viii
ix
NOTACIÓN
Parámetros y variables:
A: Área
Ac: Área mínima de bobinado
Ae: Área efectiva
B: Densidad de flujo
C: Capacitancia
Ciss: Capacitancia de entrada
D: Ciclo de trabajo
di/dt: Incremento de corriente en el tiempo
dv/dt: Incremento de voltaje en el tiempo
fosc: Frecuencia de oscilación
fs: Frecuencia de conmutación
ID: Corriente de drenaje
IFV: Corriente fotovoltaica
Imin: Valor mínimo del rizo de corriente
Inom: Corriente nominal
Irr: Irradiación
j: Densidad de corriente
L: Inductancia
Lg: Longitud del entrehierro
lt: Longitud por vuelta
N: Número de vueltas
PD: Pérdidas en el diodo
Pd: Potencia disipada por el dispositivo en watts.
Pinst: Potencia instantánea
Po: Potencia de salida
Psp: Potencia de referencia
Pss: Pérdidas en conducción
Psw: Pérdidas por conmutación
Pxc: Pérdidas por excitación de compuerta
RDSon: Resistencia drenaje-fuente del interruptor
RθCS: Resistencia térmica de la interfaz entre el dispositivo y la superficie del disipador
RθJC: Resistencia térmica de unión a encapsulado (dada por el fabricante)
RθSA: Resistencia térmica de la superficie de montaje a ambiente
T: Periodo
Convertidor CD/CD con Rizo de Corriente Reducido y Seguimiento del Punto de Máxima Potencia
para Aplicaciones Fotovoltaicas.
x
TA: Temperatura ambiente
Tapag: Tiempo de apagado
TC: Temperatura de encapsulado
Tenc: Tiempo de encendido
Tj: Temperatura de unión
TS: Temperatura del disipador
VCmáx: Voltaje máximo del rizo en el condensador
VCmín: Voltaje mínimo del rizo en el condensador
VDC: Voltaje de la fuente de alimentación
VFV: Voltaje fotovoltaico
Vin: Voltaje de entrada (control)
Vinv: Voltaje a la salida del convertidor
Vnom: Voltaje nominal
Vo: Voltaje de salida
ZthJC: Impedancia térmica de unión a capsulado
∆IL: Incremento de corriente en el inductor
∆VC: Incremento de voltaje en el condensador
η: Eficiencia
Ω: Ohm
∆T: Diferencia de temperatura causada por el flujo de calor. ΣRθ: Suma de las resistencias térmicas.
Acrónimos:
A: Amperes
AD: Analógico a digital
C: Condensador
CA: Corriente alterna
CD: Corriente directa
D: Diodo
FV: Fotovoltaico
IIE: Instituto de Investigaciones Eléctricas
MCC: Modo de conducción continuo
PMP: Punto de máxima potencia
PWM: Modulación de ancho de pulso
Q: Interruptor
SC: Sobrecorriente
V: Volts
W: Watts
1
Capítulo 1
Introducción
1.1 UBICACIÓN Y PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
En algunas regiones del norte de nuestro país el clima es extremoso. En consecuencia, la
demanda de energía eléctrica durante el verano es elevada y, para poder satisfacerla, la
compañía suministradora (CFE) se ve en la necesidad de operar diariamente a su
máxima capacidad durante largos periodos de tiempo. Se estima que en unos años la
capacidad instalada ya no será suficiente. Además, tanto el consumo desmedido de los
combustibles fósiles o no renovables con los que se genera energía eléctrica, como los
altos niveles de contaminación producidos por las formas tradicionales de generación,
representan un impacto ambiental importante con consecuencias irreversibles.
Es por ello que en los últimos años se ha trabajado en el desarrollo de nuevas
alternativas de generación de energía eléctrica, a partir de fuentes de generación que
evitan el consumo de combustibles no renovables. Algunas de estas alternativas son la
tecnología fotovoltaica (FV), la eólica y las celdas de combustible.
Si se toma en cuenta que en las regiones mencionadas las horas pico de demanda
de energía eléctrica coinciden con los valores máximos de la campana de irradiación
solar, resulta conveniente la utilización de sistemas fotovoltaicos (FV) interconectados a
la red, con el fin de auxiliar en el abastecimiento de energía a la compañía
suministradora en los horarios de máximo consumo [1].
Convertidor CD/CD con Rizo de Corriente Reducido y Seguimiento del Punto de Máxima Potencia
para Aplicaciones Fotovoltaicas.
2
Lo anterior trae beneficios a largo plazo, tanto para el usuario como para el
proveedor de energía eléctrica. En la Fig. 1-1 se muestra la relación que existe entre la
curva de demanda de energía y la campana de irradiación en un día de verano típico.
Fig. 1-1) Relación existente entre la curva de demanda de energía eléctrica
y la campana de irradiación
Se han instalado ya sistemas FV interconectados a red. De manera general, estos
sistemas están formados por los paneles FV, el inversor y la interconexión a red. En
estos casos no se necesita un banco de baterías, ya que durante la noche la energía la
proporciona la compañía suministradora. La Gerencia de Energías No Convencionales
del Instituto de Investigaciones Eléctricas (IIE) lleva a cabo un proyecto en Mexicali,
enfocado a comprobar las bondades de los sistemas FV aplicados a la reducción de picos
de demanda. En promedio, la potencia de los sistemas instalados es de 1kW.
El problema con los sistemas FV radica en que la corriente entregada por los
paneles depende directamente del comportamiento de la carga, lo que obliga a que éstos
siempre aporten diferentes niveles de potencia, evita que sean aprovechados al máximo
y reduce su vida útil. La Fig. 1-2 muestra las curvas características de una celda
fotovoltaica en función de la tensión de salida: corriente en la ordenada izquierda y
potencia en la ordenada derecha. Para una condición de operación dada (irradiación y
temperatura), existe una combinación única VMAX-IMAX que permite obtener la potencia
máxima del panel. La línea diagonal punteada corresponde a la recta de carga que ubica
la operación en este punto, denominado “Punto de Máxima Potencia” (PMP).
Capítulo 1. Introducción.
3
Fig. 1-2) Curva característica del PMP con respecto al voltaje
y la corriente del panel FV
En la práctica no es posible operar de manera continua en este punto, ya que la
respuesta de la celda se ve afectada por la temperatura y el nivel de irradiación que
incide sobre ella. En las gráficas de la Fig. 1-3 se aprecian los efectos de las variaciones
en dichos parámetros. Las gráficas (a) y (b) muestran la variación de la potencia FV con
respecto a la irradiación, pues de esta depende el nivel de la corriente FV (IFV). Las
gráficas (c) y (d) corresponden a la variación de la potencia FV con respecto a los
cambios de la temperatura de operación de las celdas, ya que esta afecta el valor del
voltaje FV (VFV). Es claro que, de mantenerse la resistencia de carga RL de la Fig. 1-2,
las celdas dejan de operar en el PMP.
Por otro lado, si el banco de celdas se interconecta a la carga a través de un
inversor, la corriente demandada al banco FV muestra fluctuaciones que impiden la
operación continua en el PMP, y el sistema no se utiliza de la forma más eficiente. Para
solucionar ésto, es importante que la corriente se mantenga sin fluctuaciones y con el
valor de IMAX posible de aportar para obtener la máxima potencia.
Se necesita entonces un circuito de mando que ubique a la corriente demandada en
un valor óptimo para mantener la operación del sistema en el PMP. Además, la corriente
que se extrae al panel FV debe mantenerse estable, sin que la demanda de corriente del
inversor se refleje en ésta. Para ello, es necesario agregar un convertidor CD/CD como
etapa de acondicionamiento en la salida de los paneles solares.
Convertidor CD/CD con Rizo de Corriente Reducido y Seguimiento del Punto de Máxima Potencia
para Aplicaciones Fotovoltaicas.
4
(a)
2
(b)
(c)
(d)
Fig. 1-3) Comportamiento de la potencia FV con respecto a la irradiación (a) y (b)
y la temperatura de operación de las celdas FV (c) y (d)
1.2 REVISIÓN DEL ESTADO DEL ARTE
Para que un sistema FV se utilice de la manera más eficiente es necesario mantener el
panel operando en el PMP. Para conseguir ésto se han construido sistemas con diferentes
topologías de convertidores, los cuales transfieren energía del panel FV a la etapa de
conversión CD/CA.
En la literatura revisada se encontraron reportadas aplicaciones con las topologías
del cuadro siguiente. Sus características principales se describen a continuación:
Capítulo 1. Introducción.
5
- Topologías no aisladas
- Elevador (boost)
- Reductor (buck)
- Variaciones del convertidor elevador
CONVERTIDORES
CD/CD
- Topologías aisladas
- Topología cuasi-resonante
- Con inductancias acopladas
- Inversor-transformador-rectificador
1.2.1 TOPOLOGÍAS NO AISLADAS
1.2.1.1 Topología con convertidor reductor (buck)
En [2] se presenta la topología de un convertidor reductor, la cual se muestra en la Fig.
1-4 y cuyas principales características se mencionan a continuación:
- Está diseñado para seguir el PMP.
- La potencia de salida es de 614.4W.
- Sensado de la corriente y el voltaje del panel FV para obtener la potencia instantánea y ajustar el ciclo de trabajo (D).
- Las conmutaciones del interruptor de potencia (MOSFET) son duras.
- Presenta alta eficiencia (92% a 25ºC, que es la condición de operación nominal).
- Es de bajo costo, con respecto a otros que emplean más componentes.
- Se recomienda para cargas inductivas, como motores de CD.
Fig. 1-4) Convertidor reductor para sistemas FV presentado en [2]
1.2.1.2 Topología con convertidor elevador (boost)
En las referencias [3], [4] y [5] se describen topologías basadas en el convertidor
elevador convencional, algunos con regulación en modo corriente por medio del ajuste
controlado del ciclo de trabajo D. En la Fig. 1-5 se muestra el esquema general de dichas
implementaciones, y en la Tabla 1-1 se resumen las características principales.
Convertidor CD/CD con Rizo de Corriente Reducido y Seguimiento del Punto de Máxima Potencia
para Aplicaciones Fotovoltaicas.
6
Fig. 1-5) Convertidor elevador para sistemas FV
Tabla 1-1. Principales características de topologías implementadas en sistemas FV
utilizando el convertidor elevador
[3] [4] [5]
Seguimiento del PMP Si Si Si
Potencia nominal de operación 200W 600W 800W
Diseñado para reducir el rizo de IFV Si Si Si
Parámetro de sensado IFV IFV*VFV ⇒ PFV IFV*VFV ⇒ PFV
Diseñado para conexión a línea Si ? ?
Tipo de conmutación en el interruptor Dura Dura Dura
Diseñado para alimentación residencial ? Si ?
Voltaje nominal de salida 120V 450V 400V
Frecuencia de conmutación 20kHz ? 25kHz
1.2.1.3 Topología con convertidores tipo elevador entrelazados (interleaved)
Con el propósito de reducir la magnitud del rizo de la corriente de entrada, en [6] y [7]
se propone una variante del convertidor elevador, que consiste en la conexión en
paralelo de dos convertidores. Con lo anterior aumenta la frecuencia del rizo, lo que
facilita su eliminación por medio de un filtro, y la corriente a través de los dispositivos
se reparte equitativamente. Las características generales de estas topologías se describen
en la Tabla 1-2, y el esquema propuesto se muestra en la Fig. 1-6.
Tabla 1-2. Principales características de topologías que utilizan
convertidores tipo elevador entrelazados
[6] [7]
Seguimiento del PMP Si No
Potencia nominal de operación 24W 400W
Diseñado para reducir el rizo de IFV Si Si
Capítulo 1. Introducción.
7
[6] [7]
Parámetro de sensado Vo ?
Diseñado para conexión a línea Si ?
Tipo de conmutación en el interruptor Dura Suave (enc)
Voltaje nominal de salida 15V 200V
Frecuencia de conmutación 50kHz 40kHz
Otras características propias de la topología son:
- Los interruptores de los convertidores operan con un corrimiento de fase de 180º.
- El rizo de voltaje se reduce hasta a un 30% con respecto a topologías con un solo
convertidor elevador.
- En [6] se consigue una eficiencia de hasta el 89%.
- En [7] se utilizan redes amortiguadoras no disipativas en los interruptores para
mejorar la eficiencia, consiguiendo así un 95%.
- La corriente de entrada se divide entre el número de etapas en paralelo, lo que
reduce los esfuerzos en corriente a través de los dispositivos.
- El rizo de la corriente de entrada y el rizo del voltaje de salida se reducen, pero
duplican su frecuencia.
- Se obtiene una alta eficiencia en aplicaciones de alta potencia debido a la
reducción de pérdidas en conducción y conmutación.
La principal ventaja es que la estructura de la topología permite el incremento en
los niveles de corriente, voltaje y potencia sin necesidad de usar componentes de mayor
capacidad. Como contraparte, se tiene que aumentar el número de etapas en paralelo, lo
que eleva los costos de implementación y la complejidad del control.
Fig. 1-6) Topología con dos convertidores tipo elevador entrelazados (interleaved)
Convertidor CD/CD con Rizo de Corriente Reducido y Seguimiento del Punto de Máxima Potencia
para Aplicaciones Fotovoltaicas.
8
1.2.2 TOPOLOGÍAS AISLADAS
1.2.2.1 Topología de convertidor cuasi-resonante
La implementación que se muestra en la referencia [8] está formada por una etapa
inversora resonante de conmutación suave, un transformador de alta frecuencia y un
rectificador. Consigue conmutaciones suaves en el encendido mediante el condensador
resonante (C1) que se encuentra en paralelo con la inductancia del bobinado primario del
transformador de alta frecuencia. El esquema correspondiente a este convertidor se
muestra en la Fig. 1-7.
Fig. 1-7) Implementación del convertidor cuasi-resonante en un sistema FV
Las principales características de operación son las siguientes:
- No sigue el PMP del panel FV, pero mantiene la potencia de salida constante
(4kW).
- Tiene conmutación suave en el interruptor de entrada (IGBT).
- Alcanza una eficiencia del 92.5%.
- Sensa la corriente de salida de todo el sistema para mantener la potencia.
- Se modifica el ciclo de trabajo del interruptor, para ajustar la potencia de salida
al valor deseado.
- Se usa en aplicaciones residenciales.
1.2.2.2 Convertidor CD/CD con inductancias acopladas
Para reducir el costo y tamaño de los inductores de entrada se puede utilizar una
topología aislada, con inductores acoplados en la salida del panel FV. Con esto también
se consigue suprimir la interferencia electromagnética (EMI) y se obtienen corrientes de
salida libres de rizo.
Capítulo 1. Introducción.
9
En [9] se presenta una topología con estas características, la cual se compone de
cuatro etapas: acoplamiento de las inductancias, inversor, transformador y rectificador.
En la Fig. 1-8 se muestra la topología mencionada.
Fig. 1-8) Convertidor CD/CD usando la técnica de inductores acoplados
para sistemas FV
Las principales características de este convertidor son:
- No sigue el PMP del sistema FV, sino que mantiene constante la potencia de
salida.
- El voltaje y la potencia de salida son de 100V y de 250W respectivamente.
- Utiliza MOSFET´s y tiene conmutaciones suaves.
- Está diseñado para eliminar el rizo de corriente IFV y la EMI.
- Sensa la corriente en la salida del panel FV y el voltaje de salida de todo el
sistema.
1.2.2.3 Convertidor CD/CD con dos transformadores
En [10] se muestra la topología de un convertidor CD/CD alimentado en corriente, el
cual consta de tres etapas: inversor, transformador y rectificador. Su característica
principal es que incluye un transformador que relaciona la entrada con la salida del
sistema como se muestra en la Fig. 1-9. Otras características relevantes de la topología
son:
- Sigue el PMP del panel FV.
- La potencia de salida es de 3kW.
- Trabaja con conmutaciones duras y los interruptores de potencia son MOSFET´s.
Convertidor CD/CD con Rizo de Corriente Reducido y Seguimiento del Punto de Máxima Potencia
para Aplicaciones Fotovoltaicas.
10
- Sensa la corriente del inductor de entrada, el voltaje de entrada y el voltaje de
salida para determinar si es necesario ajustar el ciclo de trabajo del convertidor.
- Está diseñado para conectarse a la línea, después de una etapa de inversión a CA.
Fig. 1-9) Convertidor CD/CD con dos transformadores
1.2.3 CONCLUSIONES DE LA REVISIÓN DEL ESTADO DEL ARTE
En la literatura se encontraron reportadas diferentes topologías de convertidores CD/CD
diseñados para incluirse en un sistema FV. Aunque existe mucho más información sobre
el tema, las topologías propuestas en otros artículos son variantes de las configuraciones
ya mostradas.
Considerando lo anterior, es evidente que no hay una configuración francamente
superior que, por sus características de diseño, sea preferible utilizar. Por otro lado, para
los requerimientos de conversión CD/CD en un sistema FV basta con un convertidor
elevador operando en modo de conducción continuo (MCC). A pesar de que esta
topología es de las más conocidas y sencillas de implementar, presenta la desventaja de
tener conmutación dura en el interruptor, lo cual trae como consecuencia pérdidas que,
dependiendo del tipo de interruptor que se utilice, pueden llegar a ser considerables.
Se selecciona un convertidor elevador entrelazado de dos etapas (interleaved) para
el desarrollo de este trabajo de tesis, puesto que sus características naturales de
operación permiten reducir los esfuerzos en corriente a través de los interruptores y
reducir la magnitud del rizo de la corriente de entrada.
Capítulo 1. Introducción.
11
1.3 OBJETIVOS
1.3.1 OBJETIVO GENERAL
Diseñar y construir un convertidor CD/CD que sea capaz de obtener la máxima potencia
de los paneles FV, manteniendo constante la corriente que se demande a éstos. Con lo
anterior se pretende utilizar los paneles solares de la manera más eficiente y prolongar la
vida útil del sistema FV completo.
1.3.2 OBJETIVOS PARTICULARES
Seleccionar una topología para implementar. En la selección se tomarán en
cuenta las características descritas en la revisión del estado del arte y los criterios
que, con la experiencia ganada durante el Proyecto Mexicali, el personal del IIE
ha identificado como relevantes.
Analizar el convertidor seleccionado para su diseño e implementación.
Simular el convertidor de acuerdo a las especificaciones dadas por el IIE, para
obtener un prototipo de características similares a los del Proyecto Mexicali.
Construir el convertidor y realizar pruebas de potencia en el laboratorio del
CENIDET.
Obtener y seguir el punto de máxima potencia de las celdas FV instaladas en el
IIE.
Tanto para las pruebas realizadas en el CENIDET, como para las realizadas en el
IIE, la demanda de corriente a las celdas FV debe ser de un rizo pequeño y no
pulsante.
1.4 ALCANCES Y APORTACIONES
Se construye un convertidor CD/CD con capacidad de operar a una potencia máxima de
1000W. El prototipo también tiene la capacidad de seguir el PMP de un banco de celdas
FV cuya tensión de salida está comprendida entre 130V y 200V. El voltaje en la salida
del convertidor se mantiene entre 200V y 250V, puesto que éste es el voltaje de
operación de la etapa inversora del sistema FV.
En cuanto a la aportación, el trabajo contribuye a los desarrollos que, en materia de
sistemas FV, se han realizado en el Departamento de Electrónica del CENIDET. Los
sistemas desarrollados hasta ahora han sido de una etapa, lo que no necesariamente
garantiza el seguimiento del PMP de las celdas. Una de las intenciones del desarrollo
consiste en subsanar esta deficiencia.
Convertidor CD/CD con Rizo de Corriente Reducido y Seguimiento del Punto de Máxima Potencia
para Aplicaciones Fotovoltaicas.
12
1.5 HIPÓTESIS
En la revisión del estado del arte se observa que algunas topologías presentan las
características de operación que se buscan para conseguir los objetivos del tema de tesis,
sin embargo, aquellas, cuya característica relevante es la eficiencia, son topologías
complejas o topologías básicas con circuitos adicionales de ayuda a la conmutación. Por
ello, la hipótesis de trabajo sobre la que se desarrolla esta tesis es:
Un convertidor CD/CD implementado con interruptores Cool MOS de tercera
generación y con un circuito de mando que ubique la operación en el régimen de
seguimiento del PMP, permite obtener una corriente fotovoltaica libre de fluctuaciones y
una alta eficiencia.
13
Capítulo 2
Convertidor de
Potencia 1 2
2.1 ANÁLISIS Y DISEÑO DEL CONVERTIDOR
De acuerdo a las conclusiones de la revisión del estado del arte, se seleccionó una
topología que utiliza dos convertidores tipo elevador entrelazados (interleaved). Las
características de operación de este convertidor (sección 1.2.1.3) permiten satisfacer las
necesidades de los objetivos del tema de tesis.
Puesto que la estructura seleccionada se deriva de un convertidor elevador
convencional, a partir del análisis de éste se obtienen los parámetros de diseño. El
comportamiento se verifica por medio de simulaciones, tratando de cumplir con las
especificaciones dadas por el IIE. Una vez que se valida el diseño, se procede a la
construcción del prototipo.
Convertidor CD/CD con Rizo de Corriente Reducido y Seguimiento del Punto de Máxima Potencia
para Aplicaciones Fotovoltaicas.
14
2.1.1 ANÁLISIS MATEMÁTICO DEL CONVERTIDOR
Para el análisis del convertidor elevador se sigue el procedimiento descrito en las
referencias [13] y [14]. Se considera que el convertidor opera en el MCC, puesto que
con éste se consigue cumplir con parte importante de los objetivos de la tesis. Bajo esta
premisa, el convertidor trabaja en dos modos de operación que dependen del estado del
interruptor Q, denominándose modo I al circuito equivalente que se obtiene cuando el
interruptor está cerrado, y modo II cuando éste está abierto. En la Fig. 2-1 a) se muestra
el esquema del convertidor elevador, mientras que en las Figs. 2-1 b) y 2-1 c) se
muestran los circuitos equivalentes que resultan para los dos modos de operación.
Fig. 2-1) Convertidor elevador: a) esquema general; b) modo I de operación; c) modo II de operación
El análisis del convertidor se realiza para los dos circuitos mostrados, y la meta
consiste en obtener un balance de energía en el inductor L. En la Fig. 2-2 se muestran las
principales formas de onda del convertidor operando en estado estable, donde se
aprecian el comportamiento de la corriente a través del inductor (L), del interruptor (Q)
y del diodo (D) en función del las señales de compuerta en el interruptor.
Siendo tenc el tiempo de encendido del interruptor y T el periodo de conmutación,
el modo I de operación es valido durante el lapso en el que el interruptor (Q) permanece
cerrado, esto es enctt ≤≤0 , mientras que el modo II de operación es valido durante el
lapso para el que el interruptor (Q) permanece abierto, esto es Tttenc ≤≤ .
Capítulo 2. Convertidor de potencia.
15
Fig. 2-2) Principales formas de onda del convertidor.
Convertidor CD/CD con Rizo de Corriente Reducido y Seguimiento del Punto de Máxima Potencia
para Aplicaciones Fotovoltaicas.
16
Analizando el convertidor en el modo I de operación (Fig. 2-1 b) se obtiene que:
* L
CD L
enc
L IV V Ldi dt
t= = == = == = == = =
∆ (2.1)
El incremento de corriente a través del inductor durante este lapso se determina
con:
*CD enc
L
V tI
L====∆ (2.2)
donde:
VCD= Voltaje en la entrada del convertidor
VL= Voltaje en el inductor
di/dt= tasa de crecimiento de la corriente
L = Inductancia del convertidor elevador
∆IL= Incremento de corriente
Para conocer el comportamiento de los rizos de corriente en el inductor y de
voltaje en el condensador durante este modo de operación, es necesario obtener las
expresiones independientes de cada parte del circuito mostrado en la Fig. 2-1 b). La
expresión que determina el comportamiento de IL se obtiene de (2.1), como:
1
L LI V dtL
= ∫ (2.3)
Sea Imin el valor mínimo de la corriente de rizo, entonces:
CDL mín
VI t I
L= + (2.4)
De la segunda parte del circuito, en la misma figura, se obtiene la expresión que
determina el comportamiento del rizo de voltaje en el condensador, partiendo de la
corriente en el condensador como:
oC
dvI C
dt==== (2.5)
donde Vo es el voltaje en la salida del convertidor que alimenta al inversor, y VCmáx es el
valor máximo del rizo. Entonces, el voltaje en el condensador se determina con:
Capítulo 2. Convertidor de potencia.
17
0
1 enct
C o CmáxV I dt VC
= − +∫ (2.6)
Si la corriente Io es constante, entonces:
o
C Cmáx
IV V t
C= −= −= −= − (2.7)
Analizando el circuito para el modo II de operación, se obtiene:
* L
CD L o o
apag
L IV V V V
t
∆= + = + (2.8)
donde tapag es el tiempo de apagado del interruptor. A partir de la ecuación (2.8) se
obtiene el cambio de corriente en este lapso de operación, el cual es equivalente al
encontrado durante el lapso de encendido, pues la energía que se almacena en el inductor
durante el primer lapso es la misma que aporta a la carga en el siguiente (Fig. 2-3). El
cambio en la corriente del inductor durante este intervalo está dado por:
( )*o CD apag
L
V V tI
L∆
−= (2.9)
Sea D el ciclo de trabajo, entonces el tiempo de encendido del convertidor esta
dado por tenc=D*T y el tiempo de apagado por tapag=(1-D)*T. A partir del balance de
energía que se cumple en el inductor, se igualan las expresiones obtenidas de los
incrementos de corriente a través del mismo, resultando:
( )** o CD apagCD enc
L
V V tV tI
L L∆
−= = (2.10)
Sustituyendo en (2.10) a tenc y tapag por sus equivalentes respectivos, que están en
función del ciclo del trabajo y del periodo se tiene:
( )*(1 )** * o CDCDV V D TV D T
L L
− −= (2.11)
Sabiendo que D=tenc/T, la expresión que determina el voltaje de salida (Vo) que
alimenta al inversor esta dado por:
1
CDo
VV
D=
− (2.12)
Convertidor CD/CD con Rizo de Corriente Reducido y Seguimiento del Punto de Máxima Potencia
para Aplicaciones Fotovoltaicas.
18
Con la expresión (2.12) se determina el ciclo de trabajo que se necesita para
obtener el voltaje de salida deseado a partir de un voltaje de entrada dado; esto permite
alcanzar la potencia deseada.
Por otro lado, para conocer el comportamiento de los rizos de corriente en el
inductor y de voltaje en el condensador, se analiza el circuito de la Fig. 2-1 c) en función
de corrientes y voltajes, teniéndose:
L C oI I I= + (2.13)
L CD CV V V= − (2.14)
Se sabe que:
[ ]1 1CD
L CD C C
VI V V dt V dt
L L L= − = −∫ ∫ (2.15)
A partir de la ecuación (2.5) para IC, se obtiene ecuación diferencial siguiente:
2
0C C CDd V V V
dt LC LC+ − = (2.16)
Resolviendo la ecuación (2.16) se obtiene la expresión que determina el
comportamiento del voltaje en el condensador para este modo de operación:
( )*cos *C CD Cmín CD CDV V V V t V sen tα α= + − + (2.17)
donde:
LC
1=α
VCmín = valor mínimo del rizo de voltaje en el condensador
Para determinar la expresión que describe el comportamiento de la corriente en el
inductor durante el modo II de operación, se retoman las ecuaciones (2.13), (2.15) y
(2.17). Manipulándolas algebraicamente se obtiene que:
( )min min
1 cos* *L CD C C o
sen t tI V V V I
L
α α
α α
= − + +
(2.18)
Capítulo 2. Convertidor de potencia.
19
Para el diseño del convertidor es importante tener presentes los rizos máximos que
se esperan, tanto en la corriente de entrada (IL) como en el voltaje en el condensador de
salida (VC). Los rizos se expresan comúnmente como porcentajes de la corriente y del
voltaje mencionados.
Para calcular el valor del inductor se debe encontrar primero la expresión que
determina el valor del rizo de corriente. Para ello, se suman los tiempos tenc y tapag de las
ecuaciones (2.2) y (2.9) respectivamente, se despeja y se encuentra el periodo:
* ** *
*( )L oL L
enc apag
CD o CD CD o CD
L I VL I L IT t t
V V V V V V
∆∆ ∆= + = + =
− − (2.19)
Despejando el rizo de corriente ∆IL de la ecuación anterior, se tiene:
* *( )
*CD o CD
L
o
T V V VI
L V∆
−= (2.20)
Sabiendo de (2.12) que D=1-M, donde M es la ganancia en voltaje del convertidor,
y teniendo presente que típicamente se propone un valor para el rizo ∆IL como un
porcentaje de la corriente de salida del convertidor, de (2.19) se obtiene la expresión que
determina el valor del inductor como:
*
*CD
s L
V DL
f I∆= (2.21)
La expresión para determinar el valor del condensador C se determina a partir de
la ecuación de corriente en el mismo Ic, la cual esta dada por:
c
dvI C
dt= (2.22)
entonces, el rizo de voltaje en el condensador esta dado por:
0
*1
*
enct
oC C
s
I DV I dt
C f C∆ = =∫ (2.23)
Despejando C de la ecuación (2.23) se obtiene la expresión para determinar el
valor del condensador, teniendo:
*
*o
s o
I DC
f V∆= (2.24)
Convertidor CD/CD con Rizo de Corriente Reducido y Seguimiento del Punto de Máxima Potencia
para Aplicaciones Fotovoltaicas.
20
Con el análisis del convertidor elevador se determinaron las expresiones para
conocer el comportamiento y los valores de los rizos de corriente en el inductor y de la
tensión en el condensador, la función de transferencia del convertidor, y los valores de
los componentes pasivos (L y C). Esta información se toma como base para el diseño y
la construcción de la topología seleccionada.
2.1.2 ESPECIFICACIONES DEL CONVERTIDOR
Las especificaciones de diseño y construcción para el convertidor CD/CD se basan en
los parámetros de operación, tanto del panel FV como del inversor. Éstos corresponden a
un sistema FV que se encuentra en el IIE, y para el cual se construye dicho convertidor.
Las especificaciones fueron dadas en intervalos de los parámetros, por personal del
Departamento de Fuentes No Convencionales, como se muestra a continuación:
Voltaje de los paneles FV: VFV=VCD= 130V - 200V
Voltaje del inversor: Vinv=Vo= 200V - 250V
Potencia del convertidor: Po= 850W - 1000W
Rizo de corriente: ∆IFV=∆ICD < 0.5A
Con base en la potencia máxima especificada para el convertidor, se hacen algunas
consideraciones para seleccionar los parámetros restantes que permiten realizar su
diseño. La primera consideración se debe al compromiso que existe entre la obtención
de un rizo de corriente FV menor a 0.5A y el tamaño del núcleo que se requiere para
construir el inductor necesario. Esto tiene que ver con el número de vueltas que se
necesitan para conseguir el valor de inductancia calculado y el calibre requerido para
circular toda la corriente de entrada (IFV = 7.69A, de acuerdo a las especificaciones). Con
una derivación se obtienen dos etapas en paralelo (P=2), lo que es suficiente para
obtener un calibre menor por el que circula la mitad de la corriente total. Para el mismo
número de vueltas se requiere un núcleo de menores dimensiones, consiguiendo el
mismo valor de inductancia, además los esfuerzos en corriente a través de los
interruptores se reducen a la mitad.
Considerando que el rizo de corriente a través de los inductores comúnmente se
selecciona como un porcentaje de la corriente de salida (Io), y con base en las
especificaciones de diseño del IIE, se selecciona un rizo del 5% de la corriente de salida
(Io=4.4A de acuerdo a las especificaciones), para obtener un rizo en la corriente de
entrada menor a 200mA debido a la topología implementada.
Capítulo 2. Convertidor de potencia.
21
Puesto que en las especificaciones no se da un valor para el rizo en el voltaje de
salida, y teniendo presente que comúnmente para el diseño de convertidores se
recomienda un porcentaje del voltaje de salida alrededor del 5%, se ha seleccionado un
porcentaje del 3% para el diseño del prototipo.
En la medida que la frecuencia de conmutación (fs) del convertidor es mayor, los
valores de capacitancia e inductancia necesarios para conseguir los rizos deseados son
menores (véanse las ecuaciones (2.21) y (2.24)), en consecuencia el tamaño del inductor
y el condensador se reducen; sin embargo, existe un compromiso directo asociado a las
pérdidas globales del convertidor que afectan a su eficiencia, lo que limita el valor de la
fs considerada. Con base en lo anterior, los parámetros considerados para el diseño del
convertidor son:
VCD = 130V
Vo = 230V
Po = 1000W
∆IL1,L2 = 5% Io = 217mA
∆VC = 3%Vo = 6.9V
fs = 75kHz
Etapas en paralelo: P = 2
2.1.3 DISEÑO DEL CONVERTIDOR
a) Ganancia en CD y ciclo de trabajo
Considerando la topología entrelazada, con la ecuación (2.12) se determina la
ganancia en CD (M) del convertidor:
230
1.76130
o
CD
V VM
V V= = =
El ciclo de trabajo máximo también se calcula a partir de (2.12) como:
230 130
0.434230
o CD
o
V V V VD
V V
− −= = =
b) Esfuerzos en voltaje y corriente
Con base en [7], el máximo voltaje aplicado a través de los interruptores de
potencia Q1 y Q2, y los diodos de salida D1 y D2 de la Fig. 1-6, está dado por:
Convertidor CD/CD con Rizo de Corriente Reducido y Seguimiento del Punto de Máxima Potencia
para Aplicaciones Fotovoltaicas.
22
1, 2 1, 2
1 1* 130 * 229.681 1Q Q D D CDV V V V VD D
= = = == = = == = = == = = =− −− −− −− −
(2.25)
Debido a la operación entrelazada, la corriente a través de cada componente es el
resultado de la división de la corriente ICD entre el número de etapas en paralelo.
Considerando una eficiencia del 95% y operando a una potencia de salida nominal, la
corriente de entrada al convertidor está dada por:
1000
8.09* 130 *0.95o
CD
CD
P WI A
V Vη= = = (2.26)
La corriente promedio a través de cada diodo se reduce por las etapas en paralelo,
teniendo:
( )8.09
(1 ) * 1 0.434 2.282
CDDavg
I AI D A
P= − = − = (2.27)
La corriente eficaz a través de los interruptores se calcula con:
5 8.09 5 0.434
* * 4.324 2 4
CDQrms
I D AI A
P
− −= = = (2.28)
c) Componentes pasivos y rizos
Las expresiones utilizadas para determinar el valor de los inductores de entrada y
del condensador de salida, son las mismas que las usadas para el convertidor elevador.
Con la ecuación (2.21) se determina el valor de los inductores como:
1,21, 2
* 130 *0.4343.58
* 210 *75CD
L L s
V D VL mH
I f mA kHz∆= = =
El condensador de salida del convertidor se determina con la ecuación (2.24):
* 4.34 *0.434
3.6* 75 *(230 *.03)o
s c
I D AC F
f V kHz Vµ
∆= = =
La resistencia de carga RL que se requiere para cumplir con las especificaciones es:
2 2(230 )
52.91000
oL
o
V VR
P WΩ= = = (2.29)
Capítulo 2. Convertidor de potencia.
23
Aplicando en la ecuación (2.20) los valores de las especificaciones, se obtiene un
rizo de corriente de ∆IL=215mA y haciendo lo mismo para la ecuación (2.23) se obtiene
un rizo de en la tensión de salida de Vo = 7V.
Para conocer el comportamiento de la corriente a través del inductor (IL) y el
voltaje en el condensador (VC) en estado estable durante los dos modos de operación, se
grafican en Matlab® algunas de las expresiones antes mencionadas, en las que se
utilizan los parámetros obtenidos. Para el modo I de operación, con la expresión (2.4) se
determina el comportamiento de IL y con (2.7) el comportamiento de VC, mientras que
para el modo II de operación se gráfica la expresión (2.18) para conocer el
comportamiento de IL y la expresión (2.17) para el comportamiento de VC.
A partir de los valores que se obtienen para los rizos de voltaje y corriente se
determinan los parámetros necesarios para graficar ambos comportamientos como se
muestra en la Fig. 2-3:
7.69
7.8
7.58
230
224.3
235.7
CD
Lmín
Lmáx
C
Cmín
Cmáx
I A
I A
I A
V V
V A
V V
=
=
=
=
=
=
0 2 4 6
x 10-6
7.58
7.6
7.62
7.64
7.66
7.68
7.7(a) Corriente en el inductor (ton)
Cor
rient
e(A
)
Tiempo(s)
0 2 4 6
x 10-6
224
226
228
230
232
234(c) Voltaje en el capacitor (ton)
Vol
taje
(V)
Tiempo(s)
0 2 4 6 8
x 10-6
7.58
7.6
7.62
7.64
7.66
7.68
7.7(b) Corriente en el inductor (toff)
Cor
rient
e(A
)
Tiempo(s)
0 2 4 6 8
x 10-6
224
226
228
230
232
234(d) Voltaje en el capacitor (toff)
Vol
taje
(V)
Tiempo(s) Fig. 2-3) Curvas del comportamiento de la corriente en el inductor
y del voltaje en el condensador
Convertidor CD/CD con Rizo de Corriente Reducido y Seguimiento del Punto de Máxima Potencia
para Aplicaciones Fotovoltaicas.
24
2.1.3.1 Diseño de los inductores
Debido a la topología seleccionada, el diseño de los inductores se realiza
considerando la mitad de la corriente total de entrada y para soportar la mitad de la
potencia total del convertidor. Con base en lo anterior, las especificaciones necesarias
para el diseño son:
VCD = 130V
Vo = 230V
Po = 500W
fs = 75kHz
D = 43.4%
L1=L2 = 3.5mH
IL1= IL1 = 3.9A
∆IL1=∆IL2= 215mA
Para el diseño del inductor, primero se determina el núcleo que se debe utilizar, del
que es necesario conocer la densidad de flujo máxima (Bmáx) del material del que está
hecho [15]. Los núcleos disponibles en el CENIDET son de material 3C81, cuya
densidad de flujo de saturación (Bsat) es de 3300 Gauss a una temperatura de operación
de 100ºC [24]. Entonces, la densidad de flujo máxima se limita con:
3300
27501.2 1.2sat
máx
B GaussB Gauss= = = (2.30)
Para determinar el calibre del conductor es necesario calcular la densidad de
corriente (j), la que está en función de la corriente que circulara a través de ellos y de los
Circular Mil del conductor. La relación entre estos parámetros es:
Circ Mil
jAmp
= (2.31)
Teniendo en cuenta que la selección del calibre del conductor está en función del
valor obtenido de j, se propone un valor j=500A/cm2; éste es un valor adecuado para no
calentar ni sobredimensionar considerablemente el conductor [15]. Bajo esta
consideración, se obtiene un valor de 1950 Circular Mil por lo que se selecciona el
conductor AWG calibre 17, cuyo valor en Circular Mil es de 2052; con lo anterior, la
densidad de corriente resultante es de j=526A/cm2.
Capítulo 2. Convertidor de potencia.
25
La selección del núcleo se basa en el producto de áreas de ventana, cuya expresión
se obtiene de [15], donde se propone un factor K=0.8 para la construcción de inductores.
La expresión para determinar el producto de áreas de ventana es:
8 2
8 2 24
(5.067*10 )* * *
*
(5.067*10 )*3.58 *3.9 *(0.0482 )7.47
0.8*2750
in a
e c
máx
L I DA A
K B
mH A cmcm
Gauss
= == == == =
= == == == =
(2.32)
De acuerdo a las hojas de datos del núcleo E55/28/21 (de Ferroxcube), se tiene que
el área efectiva es Ae=3.53cm2, y el área mínima de embobinado es Ac=2.78cm
2, por lo
tanto el producto de áreas resultante es de 9.8cm4.
El núcleo satisface los requisitos de la aplicación, puesto que el producto de áreas
es superior al que se obtuvo de la evaluación numérica de la ecuación (2.32).
Para determinar la longitud del entrehierro (Lg) necesario para evitar la saturación
del núcleo, de [15] se obtiene la siguiente expresión:
2 8 2 8
2 2 2
0.4 * * *10 0.4 *3.58 *(3.9 ) *100.256
* 3.53 *(2750 )in
e máx
L I mH ALg cm
A B cm Gauss
π π= = = (2.33)
El número de vueltas que debe tener el inductor se determina con:
* 2750 *0.256
143.60.4 * 0.4 *3.9máx
CD
B Lg Gauss cmN vueltas
I Aπ π= = = (2.34)
2.1.3.2 Selección de los interruptores y diodos
Con base en la potencia que deben soportar los interruptores (500W de acuerdo a las
especificaciones) y a los esfuerzos de corriente (IQrms=4.32A) y de voltaje (VQ=229.6V)
calculados mediante las expresiones (2.28) y (2.25) respectivamente, se considera que es
suficiente utilizar transistores Cool MOS modelo SPA04N50C3, cuyas características
relevantes son:
- Voltaje drenaje-fuente: VDS = 560V
- Resistencia drenaje-fuente en encendido: RDS(on) = 0.95Ω
- Corriente en conducción: ID = 4.5A
Convertidor CD/CD con Rizo de Corriente Reducido y Seguimiento del Punto de Máxima Potencia
para Aplicaciones Fotovoltaicas.
26
Para la construcción del prototipo se utilizan interruptores Cool MOS modelo
SPW17N80C3, cuyas características en potencia son superiores. Los diodos utilizados
son 15ETX06. Sus características principales son:
- Tiempo de recuperación inversa: trr= 18ns
- Corriente de conducción: IF= 15A
- Voltaje en conducción: VF=1.5V
- Voltaje de bloqueo: VR= 600V
2.1.3.3 Eficiencia teórica
Pérdidas en los interruptores de potencia (Q). Se consideran transistores Cool MOS modelo SPW17N80C3, cuyas principales características son: resistencia de
drenaje a fuente en conducción es RDSon=0.56Ω@4A, la capacitancia de entrada
Ciss=2320pF, el tiempo de encendido tenc=40ns y el tiempo de apagado tapag=78ns.
Las pérdidas totales en los interruptores de potencia (PQ) están dadas por las
suma de las pérdidas en el estado de conducción (Pss), más las pérdidas por excitación de
compuerta (Pxc), más las pérdidas de conmutación (Psw) que, a su vez, son la suma de la
potencia que se disipa en el encendido y en el apagado. La expresión para determinar las
pérdidas totales está dada como:
Q ss xc swP P P P= + + (2.35)
Las pérdidas por conducción están en función de la corriente eficaz que circula en
el interruptor y del valor de la resistencia interna drenaje-fuente (RDSon). Se tiene
entonces:
2 2( ) * (4.32 ) *0.56 10.45ss Qrms DSonP I R A WΩ= = = (2.36)
Las pérdidas por excitación de compuerta (Pxc) se generan durante la carga y
descarga de la capacitancia de compuerta (Ciss) durante el encendido y el apagado del
interruptor. La expresión (2.37) muestra dichas pérdidas:
( )2 2* * 2320 *(229.68 ) *75 9.17xc iss DS sP C V f pF V kHz W= = = (2.37)
Las pérdidas por conmutación ocurren debido a la presencia simultánea de voltaje
de drenaje-fuente VDS y corriente de drenaje ID durante cada transición de apagado a
encendido, y viceversa, del interruptor. La energía disipada en las conmutaciones de
encendido y de apagado se muestra a continuación:
Capítulo 2. Convertidor de potencia.
27
( )
0
( )* ( )enct
enc DS DE V t I t dt= ∫ (2.38)
( )
0
( )* ( )apagt
apag DS DrE V t I t dt= ∫ (2.39)
Las pérdidas en conmutación están dadas por:
( ) ( )* ( * )*sw t enc t apag enc apag sP P P E E f= == == == = (2.40)
Las integrales de las ecuaciones (2.38) y (2.39) pueden determinarse mediante el
cálculo del área del triángulo de potencia que se forma cuando VDS e ID se traslapan en
cada conmutación, obteniendo así una aproximación del valor de la potencia. La base del
triángulo es el tiempo de encendido o de apagado del transistor, según la conmutación de
que se trate. De acuerdo a esto, las pérdidas por conmutación de un interruptor, durante
un ciclo de operación completo, pueden determinarse mediante la expresión (2.41), en la
que se considera VDS(máx)=250V:
( )( ) ( ) ( ) ( ) ( )* * * *
2250 *(4.32 *40 4.32 *78 )*75
4.772
DS máx DS enc enc DS apag apag s
sw
V I t I t fP
V A ns A ns kHzW
+= =
+= =
(2.41)
De acuerdo a la expresión (2.35), las pérdidas totales en cada transistor de potencia
son de 24.39W.
Pérdidas en los diodos (D). Las pérdidas totales en los diodos (PD) de salida son
la sumatoria de las pérdidas en conducción más las pérdidas en inversa [27]. Las
pérdidas en conducción (PDf) están en función de la corriente promedio a través de los
diodos (IDavg) y se determinan con la ecuación (2.42) donde, de acuerdo a la ficha de
fabricante, se considera un voltaje de conducción Vf =1.5V@150ºC.
* 2.28 *1.5 3.42Df Davg fP I V A V W= = == = == = == = = (2.42)
Las pérdidas de recuperación inversa (PDr) están en función del voltaje de bloqueo
(VR) y la corriente inversa de dispersión (IR), y se determinan por la expresión (2.43). De
la ficha de fabricante se considera Ir=40µA@150ºC, entonces se tiene:
* (1 ) 230 *40 (1 0.43) 5.24Dr R RP V I D V A mWµ= − = − = (2.43)
Convertidor CD/CD con Rizo de Corriente Reducido y Seguimiento del Punto de Máxima Potencia
para Aplicaciones Fotovoltaicas.
28
Puesto que las pérdidas en inversa (PDr) no representan un impacto importante en
las pérdidas del dispositivo, entonces se considera que:
3.42D DfP P W≅ =
Pérdidas magnéticas (PL). Las pérdidas magnéticas son muy pequeñas, además
de que se reducen por la topología entrelazada que se utiliza, por lo que no impactan de
manera significativa en la eficiencia del convertidor. De acuerdo a la referencia [7], las
pérdidas en conducción de los inductores de entrada (PL) se determinan con la expresión
(2.44), para la que es necesario conocer los siguientes parámetros:
- Área del conductor: calibre 17 AWG = 0.01039cm2
- Número de vueltas: N =143
- Número de conductores en paralelo: Nc= 143
- Longitud promedio por vuelta: lt = 12.5cm
Entonces se tiene:
2
2 2
* * * *1.32
8.09 0.01039* *12.5 *143*1.3 2.76
2 143
CDL
c
I AWGP l N
N
A cmcm W
= =
= =
(2.44)
Eficiencia teórica (η). De acuerdo a [7], la estimación de la eficiencia teórica del
convertidor esta dada por la expresión (2.45), como sigue:
*1002* 2* 2*
1000*100 94.3%
1000 48.6 6.8 4.76
o
o Q d L
P
P P P P
W
W W W W
η = =+ + +
= =+ + +
(2.45)
2.1.3.4 Selección del disipador para los interruptores
La temperatura de unión (Tj) de los interruptores es un factor determinante para su buen
desempeño en el régimen de operación nominal del convertidor. Siendo el exceso de
temperatura de unión una de las principales causas de fallas en los interruptores de
potencia, es necesario implementar un elemento disipador de calor que mantenga al
dispositivo operando por debajo de la temperatura máxima de unión (Tjmáx) que el
fabricante recomienda para evitar la destrucción del componente.
Capítulo 2. Convertidor de potencia.
29
En el diagrama esquemático de la Fig. 2-4 se indica la ubicación de los diferentes
caminos de flujo de calor, temperatura y resistencias térmicas que involucran al
interruptor [18].
Fig. 2-4) Flujo de calor, temperaturas y resistencias térmicas en el interruptor y disipador
En la práctica, es común representar el sistema térmico de la figura anterior como
un circuito eléctrico por medio de una red de resistencias en serie, como se muestra en la
Fig. 2-5.
Fig. 2-5) Representación del sistema térmico en arreglo de resistencias
La relación básica para la transferencia de calor o disipación de potencia es
establecida como sigue [18]:
d
TP
Rθ
∆=∑
(2.46)
Donde:
Pd= potencia disipada por el dispositivo en watts
∆T= diferencia de temperatura causada por el flujo de calor
ΣRθ= suma de las resistencias térmicas
La relación anterior puede expresarse de las siguientes formas:
Convertidor CD/CD con Rizo de Corriente Reducido y Seguimiento del Punto de Máxima Potencia
para Aplicaciones Fotovoltaicas.
30
J Ad
JC CS SA
T TP
R R Rθ θ θ
−=
+ + (2.47)
C Ad
CS SA
T TP
R Rθ θ
−=
+ (2.48)
S Ad
SA
T TP
Rθ
−= (2.49)
Donde:
TJ= temperatura de unión (dada por el fabricante)
TC= temperatura de encapsulado
TS= temperatura del disipador (superficie de contacto con el dispositivo)
TA= temperatura ambiente
RθJC= resistencia térmica de unión a encapsulado (dada por el fabricante)
RθCS= resistencia térmica de la interfaz entre el dispositivo y la superficie del
disipador
RθSA= resistencia térmica de la superficie de montaje a ambiente, o resistencia
térmica del disipador
Todas las temperaturas están dadas en ºC y las resistencias térmicas en ºC/W.
Las expresiones mencionadas se usan para determinar la resistencia térmica
requerida para el disipador (RθSA), puesto que la disipación de calor, la temperatura
máxima de unión y/o encapsulado y la temperatura ambiente son conocidos o
determinados.
El encapsulado de los interruptores utilizados es tipo TO-247 y la potencia que
disipa cada uno se considera de 25W, según lo calculado en la sección 2.1.3.3. Los
parámetros necesarios para la selección del disipador y los que se obtienen de la ficha
técnica del fabricante son: la RθJC máxima de 0.6ºC/W, TJ máxima de 150ºC y se
considera una TA de 50ºC.
El disipador de calor adecuado para mantener la temperatura de unión del
semiconductor sin exceder los 150ºC en circulación natural del calor, se obtiene a partir
de (2.47), donde:
( )J ASA JC CS
d
T TR R R
Pθ θ θ
−= − + (2.50)
Capítulo 2. Convertidor de potencia.
31
El montaje del dispositivo en el disipador se realiza con grasa de silicón,
atornillado y sin aislante. Con base en lo anterior y en los parámetros antes
mencionados, se obtiene un valor de resistencia térmica del encapsulado a la superficie
de montaje RθCS= 1.2ºC/W a 0.678Nm, de tablas en [18] para este encapsulado.
Aplicando (2.50) se obtiene el valor de resistencia térmica para el disipador,
resultando: RθSA = 2.2ºC/W.
De la misma referencia, se selecciona un disipador modelo 16372 (Aavid
Thermalloy), cuyo valor de resistencia térmica es de RθSA= 2.8ºC/W y características
físicas se muestran en la Fig. 2-6.
Fig. 2-6) Características físicas del disipador seleccionado
2.2 SIMULACIONES DEL CONVERTIDOR
Con base en los valores obtenidos para los elementos del convertidor, se hacen las
simulaciones que describen el comportamiento de los principales parámetros de interés
del convertidor. Éstas se realizan con la finalidad de verificar que los resultados
obtenidos cumplen con las especificaciones de construcción dadas por el IIE, y proceder
con la construcción del prototipo.
Las simulaciones en lazo abierto se realizan con el software de simulación
PSpice®, utilizando el modelo del interruptor Cool MOS (SPP17N80C3_L1) y diodos
ideales del simulador. En la Fig. 2-7 se muestra el esquema del convertidor simulado, y
los parámetros de los que interesa conocer el comportamiento son: Vo, ICD, IL1, IL2, Po,
∆IL1, ∆IL2 y ∆ICD.
Convertidor CD/CD con Rizo de Corriente Reducido y Seguimiento del Punto de Máxima Potencia
para Aplicaciones Fotovoltaicas.
32
Fig. 2-7) Convertidor elevador entrelazado de dos etapas simulado
La simulación del convertidor se realiza bajo la peor condición de operación a la
que puede ser sometido de acuerdo a las especificaciones; ésto es, cuando el voltaje de
entrada es mínimo, el ciclo de trabajo es el máximo y por lo tanto los esfuerzos en
corriente son mayores. Los parámetros utilizados para la simulación son:
VCD = 130V
L1=L2=3.5mH
C = 3.5µF
RL = 52Ω
fs = 75kHz
D = 43.4%
En la Fig. 2-8 se muestra los resultados de una corrida de simulación en la que se
aprecia el comportamiento y los valores de los principales parámetros del convertidor,
donde resulta evidente que se cumple con las primeras especificaciones dadas por el IIE
para su operación. Los resultados obtenidos son:
Vo = 229.5V
ICD= 7.68A
IL1=IL2= 3.8A
Po= 997 W
Capítulo 2. Convertidor de potencia.
33
Time
0s 1.0ms 2.0ms 3.0ms 4.0ms 5.0ms
V(D1:2) * (-I(R1))
0W
0.5KW
1.0KW
1.5KW
Potencia de salida = 996.2W
I(L1) I(L2) -I(V1)
0A
5A
10A
Corriente a traves de los inductores = 3.9A
Corriente de entrada = 7.8A
V(D1:2)
0V
100V
200V
300V
SEL>>
Voltaje de salida = 227.5V
Fig. 2-8) Simulaciones del voltaje de salida, corrientes (ICD, IL1 e IL2) y potencia
de salida del convertidor
Teniendo en cuenta las características propias de la topología seleccionada, resulta
de interés conocer el comportamiento de los rizos de corriente a través de los inductores,
y compararlos con el de la corriente que se demanda a la fuente de alimentación. La
magnitud del rizo a través de los inductores es la misma que se obtuvo para el
convertidor elevador clásico, mientras que el rizo de la corriente que se demanda a la
fuente de alimentación tiene una magnitud menor y está al doble de la frecuencia de
operación.
En la Fig. 2-9 se muestra el detalle de los rizos de corriente. En la traza superior se
observa el desfasamiento de 180º de éstos a través de los inductores, el efecto del
corrimiento asimétrico que muestran se debe a que el ciclo de trabajo máximo de los
interruptores llega a ser del 43.4%. En la traza inferior se muestra la característica del
rizo de entrada al convertidor, el cual se encuentra al doble de la frecuencia de
conmutación de los interruptores y es de una menor magnitud comparada con la de los
rizos de corriente en los inductores. Los valores obtenidos en las mediciones son:
∆ICD = 56mA a 150kHz
∆IL1=∆IL2= 204mA a 75kHz desfasados 180º entre sí
Convertidor CD/CD con Rizo de Corriente Reducido y Seguimiento del Punto de Máxima Potencia
para Aplicaciones Fotovoltaicas.
34
Time
4.00ms 4.05ms 4.10ms 4.15ms 4.20ms
-I(V1)
7.938A
8.000A
7.900A
8.050A
Rizo de la corriente de entrada = 56mA
I(L1) I(L2)
3.75A
4.00A
4.25A
SEL>>
Rizos de corriente en L1 y L2 = 204mA
Fig. 2-9) Detalle en los rizos de las corrientes IL1, IL2 e ICD
Teniendo en cuenta la aplicación, la corriente que el convertidor aporta depende de
la carga del inversor, y ésta puede presentar cambios abruptos considerables. Es por ello
que se considera la implementación de un troceador como carga con el fin de demandar
cambios abruptos de corriente al convertidor, y así verificar que éstos no se reflejan en la
corriente de entrada (ICD) y, para las últimas pruebas consideradas, verificar el
seguimiento del PMP de los paneles FV aún bajo esta condición de carga. Puesto que en
esta prueba también es necesario conocer el comportamiento de las principales
corrientes del convertidor y la potencia de salida, se simula el convertidor con un
troceador como se muestra en la Fig. 2-10.
Fig. 2-10) Convertidor entrelazado con un troceador como carga
De acuerdo a [19], el avance tecnológico ha llevado a la búsqueda de alternativas
para construir inversores robustos y de alta eficiencia. Sin embargo, existe un
compromiso con su eficiencia cuando opera a frecuencias de conmutación en el orden de
16kHz a 20kHz. Es por ello que se selecciona una frecuencia fs=20kHz para el troceador,
considerando que el inversor que se utilice operará por debajo de esta frecuencia.
Capítulo 2. Convertidor de potencia.
35
Por otro lado, el ciclo de trabajo del troceador se ajusta automáticamente con base
en el voltaje que hay en la salida del convertidor, de tal forma que mantiene a dicho
voltaje dentro del intervalo especificado por el IIE, mientras la fuente de alimentación
sea capaz de aportar la suficiente potencia.
Las resistencias del troceador son de 71Ω y 500Ω, de modo que, cuando el
interruptor Q3 está encendido, la resistencia equivalente que tiene el convertidor es de
62Ω; cuando está apagado la resistencia cambia su valor a 500Ω.
Con este comportamiento, el troceador demanda cambios abruptos en corriente
desde 446mA hasta 3.7A, lo que corresponde a cambios de potencia de 98.5W a
864.43W. En la Fig. 2-11 se muestran las simulaciones de los principales parámetros.
Time
3.6ms 3.8ms 4.0ms 4.2ms 4.4ms 4.6ms 4.8ms 5.0ms3.5ms
V(V6:-)*I(V6)
0W
0.5KW
1.0KW
SEL>>
Potencia de salida desde 98.5W hasta 864.43W
-I(V1)
6.00A
6.25A
6.50A Corriente de entrada = 6.34A
I(V6)
0A
2.5A
5.0A
Corriente de salida desde 446mA hasta3.7A
Fig. 2-11) Simulación de los principales parámetros del convertidor
con un troceador como carga
Convertidor CD/CD con Rizo de Corriente Reducido y Seguimiento del Punto de Máxima Potencia
para Aplicaciones Fotovoltaicas.
36
2.3 CONCLUSIONES
En este capítulo se verifica que un convertidor CD/CD, conectado entre el banco de
paneles solares y el inversor de un sistema FV, impide que las fluctuaciones en la
corriente de salida se reflejen hacia la entrada. Se simuló la operación de un troceador
conectado como carga al convertidor y se comprobó que, a pesar de que demanda
continuamente cambios desde 446mA hasta 3.7A, la corriente de entrada permanece
constante en 6.34A.
Resulta evidente que la topología de convertidores entrelazados reduce
considerablemente la magnitud del rizo de la corriente de entrada con respecto a
topologías de un solo convertidor elevador. La magnitud de la corriente que se demanda
a la fuente de alimentación es de aproximadamente el 28% de la magnitud de los rizos
que circulan a través de cada convertidor, duplicando su frecuencia.
Con los resultados obtenidos de la simulación, también se verifica que el
convertidor diseñado cumple con las especificaciones de potencia y voltaje dadas
inicialmente.
37
Capítulo 3
Esquema de control 1 2 3
3.1 FUNCIONAMIENTO
Puesto que uno de los objetivos de la tesis es el seguimiento del PMP de las celdas FV,
la variable de control para cerrar el lazo en el convertidor debe ser la potencia. Para
llevar a cabo esta tarea resulta conveniente utilizar un microcontrolador, del que se
aprovechan su capacidad de cómputo y las ventajas que ofrece sobre circuitos integrados
especializados para cerrar lazos de control en función de voltaje y corriente.
El microcontrolador mide la tensión en los paneles FV y la corriente que éstos
entregan. Con base en estos parámetros, determina la potencia FV correspondiente y
utiliza este valor como entrada a un algoritmo de seguimiento del PMP; de acuerdo a los
resultados del algoritmo, se modifican las señales de mando a los interruptores del
convertidor CD/CD. Este proceso debe repetirse constantemente durante el período de
operación del sistema FV.
Convertidor CD/CD con Rizo de Corriente Reducido y Seguimiento del Punto de Máxima Potencia
para Aplicaciones Fotovoltaicas.
38
El estado de operación del convertidor, en sus diferentes etapas de
funcionamiento, se conoce a través de señalizaciones visibles: encendido del convertidor
sin regulación, voltaje FV por debajo de la especificación, encendido suave para iniciar
la regulación, voltaje de las celdas FV fuera del intervalo de operación
(130V>VFV>200V) y activación de las protecciones.
3.2 ALGORITMO PARA EL SEGUIMIENTO DEL PMP
Para conseguir que un convertidor opere en el régimen del seguimiento del PMP, se han
desarrollado diferentes técnicas y métodos con características propias que se reportan en
la literatura.
En [2] se describe un sistema de control con referencia de voltaje o corriente
constante, en el que se compara uno de los dos parámetros FV (voltaje o corriente) con
un valor de referencia correspondiente a la máxima potencia, para condiciones
atmosféricas específicas. Este método no es muy preciso debido a que no toma en cuenta
las variaciones de irradiación y de la temperatura de operación de los paneles FV.
También se reporta un sistema con referencia de corriente, en el que la corriente de
salida se compara con un valor de referencia que se calcula por medio de un
microcontrolador. A partir del resultado de la comparación se determina la potencia del
convertidor y verifica con la medición anterior si es posible obtener más potencia o no.
En [20] se presenta un método de lógica difusa, el cual es capaz de mejorar el
desempeño del seguimiento del PMP en comparación con métodos convencionales. Sin
embargo, para su implementación, se seleccionan varios parámetros por prueba y error,
y la selección depende de la experiencia e intuición del diseñador.
Otros métodos desarrollados necesitan características eléctricas de los paneles FV
como el reportado en [21], en el que se utiliza el voltaje de circuito abierto (Voc) de
dichos paneles para conocer el valor de la potencia disponible, y con base en esto,
modificar el ciclo de trabajo para ubicarse en el PMP; en éste caso se reporta el uso de
un DSP.
En [2], [6] y [22] se utiliza la técnica de “perturbar y observar”, en la que sólo se
verifica si el último valor de potencia medido (Pins) es superior a la potencia anterior
(Pant), para decidir si es posible obtener más potencia, o no, mediante el ajuste de D.
Capítulo 3. Esquema de control.
39
La principal ventaja de esta técnica es su versatilidad ya que, para seguir el PMP,
no es necesario conocer las características eléctricas y térmicas de los paneles FV, ni las
condiciones atmosféricas en las que se encuentra el sistema.
Con este algoritmo se consigue que la corriente demandada a las celdas FV se
incremente sucesivamente, mientras éstas sean capaces de aportarla, hasta llegar al punto
en el que, para un incremento de corriente, se obtiene un decremento de potencia. Bajo
esta condición, el ciclo de trabajo empieza a reducirse mientras se verifica el valor de la
potencia FV, hasta que se llega a un nuevo punto en el que ocurre que la potencia
instantánea es nuevamente mayor que la potencia anterior. Entonces es posible aumentar
la demanda de corriente como se muestra en la Fig. 3-1.
Fig. 3-1) Diagrama de flujo del algoritmo de localización del PMP
Como este algoritmo no verifica la condición de igualdad entre las dos mediciones
de potencia, el sistema se mantiene operando alrededor del PMP. En la Fig. 3-2 se
muestra la curva del proceso para el seguimiento del PMP, en la que se describe el
comportamiento del ciclo de trabajo con respecto a la potencia FV que se demanda a la
fuente de alimentación.
Convertidor CD/CD con Rizo de Corriente Reducido y Seguimiento del Punto de Máxima Potencia
para Aplicaciones Fotovoltaicas.
40
En el Apéndice B de muestra con detalle el diagrama de flujo para el seguimiento
del PMP y el diagrama de flujo general del control basado en esta técnica.
Fig. 3-2) Proceso de seguimiento del PMP
3.3 REQUERIMIENTOS DE HARDWARE
En la Fig. 3-3 se muestra el diagrama a bloques del esquema de control del convertidor.
Se aprecian las diferentes etapas que se implementaron para acondicionar las señales
necesarias para el microcontrolador, y las que éste envía a los circuitos encargados de la
generación de las señales de compuerta en los interruptores.
Fig. 3-3) Diagrama de bloques del esquema de control para el lazo cerrado
Capítulo 3. Esquema de control.
41
3.3.1 SENSADO DE CORRIENTE EN LOS PANELES FV
El sensado de la corriente FV se consigue por medio de un transductor de corriente a
voltaje por efecto Hall (modelo LA 55-P), el cual crea un aislamiento galvánico entre el
circuito primario (alta potencia) y el circuito secundario (electrónico). En la Fig. 3-4 se
muestra el circuito correspondiente. A partir de la corriente que circula a través de este
sensor, se obtiene una señal de voltaje que, para proteger al microcontrolador, se hace
pasar por un seguidor de voltaje. Por una parte, la salida del seguidor se envía al
convertidor analógico/digital (A/D) del microcontrolador y, por otra parte, a un
comparador que, cuando la salida del seguidor rebasa el nivel del voltaje de referencia,
produce una señal digital que se envía al microcontrolador para indicar un exceso de
corriente FV. Las principales características del circuito son:
Relación de transformación del sensor Hall: genera 1V por cada 2A que
circulan a través de éste.
Nivel de comparación para activar la protección: 4.09V.
El voltaje de comparación se obtiene a partir de un divisor resistivo en la fuente
de alimentación de los operacionales, la cual es de 5V. La relación de las resistencias se
obtiene proponiendo a R1=10kΩ; entonces, se tiene:
5
2 1* 1 10 * 1 2.54
in
out
V VR R k k
V VΩ Ω
= − = − =
(3.1)
Se selecciona R2=2.2kΩ, obteniéndose así un voltaje de comparación de 4.09V.
Fig. 3-4) Sensado de la corriente FV y protección contra sobrecorriente (SC)
Como se mencionó, a partir de esta etapa se envían al microcontrolador dos señales
de voltaje. La primera es una señal analógica de medición que es proporcional a
corriente que circula a través del sensor Hall. La segunda señal es de protección; esta
señal es digital y presenta un cambio de estado cuando la corriente FV excede los 8.18A.
Convertidor CD/CD con Rizo de Corriente Reducido y Seguimiento del Punto de Máxima Potencia
para Aplicaciones Fotovoltaicas.
42
3.3.2 SENSADO DE VOLTAJE EN LOS PANELES FV
A partir de un divisor resistivo conectado en las terminales del panel FV se obtiene una
señal analógica de voltaje, con una relación de 1V por cada 50V sensados; los valores de
las resistencias del divisor son de 1kΩ y 50kΩ. Dicha señal se envía a un convertidor
A/D de 8 bits (modelo TLC549) a través de un seguidor de voltaje. El convertidor A/D
da como salida un número binario proporcional a la tensión en el panel.
El convertidor A/D se comunica con el microcontrolador a través de tres líneas:
una de reloj, una de habilitación y una de datos. En cada una de estas líneas se incluye
un optoacoplador digital (modelo HCPL2611), con lo que se obtiene aislamiento con
respecto a la etapa de control. Este aislamiento es necesario puesto que las
alimentaciones del convertidor y del seguidor de voltaje son comunes a la etapa de
potencia, mientras que la del microcontrolador tiene una tierra diferente. En la Fig. 3-5
se muestra el esquema de esta etapa.
Fig. 3-5) Sensado del voltaje FV y aislamiento de las señales
Las características más importantes de los optoacopladores utilizados son:
velocidad de conversión de 10MBit/s y salida lógica de colector abierto e invertida.
Debido a lo anterior, antes de que el microcontrolador realice operaciones numéricas
para determinar el valor de la potencia instantánea, es necesario que complemente el
código que recibe.
3.3.3 ACONDICIONAMIENTO DE LAS SEÑALES DE CONTROL
Utilizando los resultados de las mediciones de corriente y de voltaje, es posible calcular
la potencia instantánea de las celdas FV al momento de realizar las mediciones. En
función de la potencia obtenida se determina el ajuste en el ciclo de trabajo D que el
convertidor necesita para alcanzar el punto de operación deseado. El ajuste se representa
como un número binario que el microcontrolador envía a la siguiente etapa de control, a
través de un protocolo serial desarrollado en el programa principal.
Capítulo 3. Esquema de control.
43
a) Conversión a niveles analógicos
Se emplea un potenciómetro digital de comunicación serie (modelo DS 1267-50),
el que recibe el código binario que envía el microcontrolador a través de tres líneas de
comunicación. Este potenciómetro realiza la función de un convertidor digital/analógico
(D/A) de 8 bits, mostrando en su salida un nivel de voltaje analógico que tiene una
correspondencia directa con el número binario recibido. La resolución del potenciómetro
es de 19.5mV/bit, con la capacidad de tener en su salida un valor máximo de 5V.
b) Generación de las señales PWM
Las señales de control PWM para los interruptores del convertidor se obtienen a
partir de un circuito integrado modelo TL494, el cual utiliza una red RC para generar
una señal diente de sierra, a una frecuencia de oscilación (fosc) que depende del valor de
la resistencia (RT) y el condensador (CT) de acuerdo a la ecuación (3.2).
1.1
*osc
T T
fR C
= (3.2)
Para el caso del convertidor en cuestión, se requiere una frecuencia de operación a
75kHz. Se propone un valor de condensador CT = 0.01µF, y la resistencia resultante es
de 1.46kΩ. Este valor se obtiene conectando dos resistencias comerciales en paralelo;
una de 1.5kΩ y la otra de 47kΩ, obteniéndose así una resistencia equivalente de 1.45kΩ.
La frecuencia resultante es de 75.6kHz.
El TL494 cuenta con dos salidas desfasadas 180º entre si, y con la configuración
utilizada se obtiene una variación del ciclo de trabajo desde 56% hasta el 100%. Debido
a que el convertidor requiere un ciclo de trabajo máximo de 43.4%, se invierten las
señales de salida para los interruptores, consiguiéndose variar el ciclo de trabajo desde
0% hasta el 44%.
La señal de salida del potenciómetro digital, comprendida entre 0V y 5V, se
compara con la señal diente de sierra. Como resultado se obtiene un tren de pulsos de la
misma frecuencia que la señal diente de sierra y con una anchura de pulso que depende
del nivel de comparación que se tenga con la rampa.
En la Fig. 3-6 se muestra la magnitud de la rampa generada por el TL494 con
respecto al voltaje del potenciómetro digital con el que se compara.
Convertidor CD/CD con Rizo de Corriente Reducido y Seguimiento del Punto de Máxima Potencia
para Aplicaciones Fotovoltaicas.
44
Fig. 3-6) Rampa generada por el TL494 y el intervalo de comparación
Como se aprecia en la figura anterior, la rampa generada por el circuito integrado
tiene una amplitud de 2.5V y está montada sobre un nivel de 200mV. Por lo tanto, si la
señal de voltaje para la comparación se toma directamente del potenciómetro digital, se
pierde más del 50% de la resolución que es posible obtener; como resultado, los cambios
mínimos de voltaje en el potenciómetro digital se manifiestan significativamente en el
ajuste de la anchura de los pulsos.
c) Ajuste de voltajes
Por las razones expuestas, resulta necesario incluir una etapa intermedia entre el
potenciómetro digital y el circuito integrado TL494. Con esta etapa se ajustan los niveles
de voltaje de tal forma que se consigue aprovechar la máxima resolución posible de
ambos dispositivos. En consecuencia, se hacen más precisos los cambios en el ajuste del
ciclo de trabajo en el convertidor. El ajuste de voltajes se representa con la recta que se
muestra en la Fig. 3-7; los intervalos de voltajes de ajuste son:
- Voltaje proporcionado por el potenciómetro: 0-5V
- Voltaje considerado para la rampa de comparación: 0.2-2.5V
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 50
0.5
1
1.5
2
2.5Ajuste de voltajes
Voltaje del potenciometro
Vo
ltaje
de
la r
am
pa
Fig. 3-7) Recta de voltajes entre el potenciómetro digital y el TL494
Capítulo 3. Esquema de control.
45
La ecuación de la recta es,
in míny mx b ó Vo mV V= + = + (3.3)
La pendiente es:
2 1
2 1
2.5 0.20.46
5 0
y ym
x x
− −= = =
− − (3.4)
La función de transferencia resultante es:
0.46 0.2o inV V V= + (3.5)
donde:
Vin, es el voltaje del potenciómetro digital.
Vmín, es el nivel de voltaje sobre el que está montada la rampa
La función de transferencia se implementa con un amplificador y un restador,
ambos inversores. La ganancia del amplificador se obtiene de acuerdo al voltaje máximo
que puede generar el potenciómetro digital (5V) y el voltaje máximo de la rampa con el
que se obtiene el máximo ciclo de trabajo del TL494. Bajo estas condiciones, la
ganancia en lazo abierto es:
2.3
0.465
oOL
in
VA
V= = = (3.6)
El voltaje de salida de un amplificador inversor es:
*fo in
RV V
R= − (3.7)
Proponiendo a R=20kΩ y conociendo a Vo y Vin, el valor de Rf resultante es
9.09kΩ.
De acuerdo a lo anterior, cuando el voltaje en la salida del potenciómetro es
máximo (5V), en la entrada del TL494 hay un voltaje máximo de 2.5V, lo que
corresponde a un ciclo de trabajo de 54%. Por otro lado, cuando en el potenciómetro hay
0V, el voltaje en el circuito TL494 es de 200mV, correspondiente al 100% del ciclo de
trabajo. Además, esta relación es lineal.
Convertidor CD/CD con Rizo de Corriente Reducido y Seguimiento del Punto de Máxima Potencia
para Aplicaciones Fotovoltaicas.
46
d) Esquema completo
En la Fig. 3-8 se muestra el esquema completo del circuito con el que se generan
las señales PWM. Se incluye el circuito para el ajuste de voltajes entre el potenciómetro
digital y el TL494.
Fig. 3-8) Generación de las señales de control a partir del código enviado por el microcontrolador
Las señales de control PWM se habilitan y deshabilitan desde el microcontrolador,
que envía una señal a dos compuertas lógicas NOR. Estas compuertas también
complementan los pulsos de salida del TL494, lo que permite obtener ciclos de trabajo
desde 0% hasta 44%. A través de dos optoacopladores, las salidas de las compuertas se
envían a los impulsores de los interruptores. En el Apéndice A se muestran los
diagramas esquemáticos de la etapa de control descrita previamente, a partir de los
cuales se generaron los diseños de las placas de circuito impreso para el prototipo.
3.4 PROGRAMACIÓN
El convertidor se gobierna mediante la programación de un microcontrolador
(PIC16F877A) que cuenta con: 3 puertos de 3, 6 y 8 canales respectivamente, un
convertidor A/D de 10 bits, protocolo de comunicación serial SPI (Serial Peripheral
Interface), reloj interno de hasta 20MHz, 368x8 bytes en memoria RAM y 256x8 bytes
de memoria de datos.
El programa se desarrolló en lenguaje ensamblador para realizar las siguientes
funciones:
Capítulo 3. Esquema de control.
47
- Operar al convertidor de acuerdo a las condiciones externas de los parámetros.
- Obtener el valor de potencia instantánea en los paneles solares, a partir de las
mediciones de voltaje FV y corriente FV.
- Mantener al convertidor operando en el régimen de seguimiento del PMP.
- Proteger al convertidor contra sobre-corrientes, dejándolo fuera de operación.
- Mostrar el estado de operación del convertidor mediante señalizaciones visuales.
3.4.1 MEDICIÓN DE LA POTENCIA INSTANTÁNEA
El valor de la potencia instantánea que se demanda a las celdas FV se obtiene a partir de
la medición de voltaje y corriente FV. La forma en que el microcontrolador obtiene la
información de cada medición, usando el hardware descrito en los párrafos anteriores,
se detalla a continuación:
Medición de corriente FV: Esta medición empieza una vez que se han
cumplido las condiciones para iniciar la regulación. El microcontrolador recibe
entonces, de manera continúa, la señal analógica de voltaje que proviene del sensor
Hall y que es representativa del nivel de corriente que el convertidor demanda a las
celdas FV. Dicha señal se convierte en un número binario de 10 bits, por medio del
convertidor A/D interno, y se almacena en dos registros de ocho bits.
Para obtener una medición mas precisa y evitar que se manifiesten los picos de
corriente instantáneos ocasionados por el ruido de conmutación, se realizan 256
mediciones consecutivas y se promedian. El resultado obtenido se trunca a 8 bits y éste
es el valor que se utiliza para las operaciones matemáticas del microcontrolador.
El protocolo de tiempos para esta medición se muestra en la Fig. 3-9, donde se
observa lo siguiente:
- Tiempo que dura cada medición de corriente: 840ns
- Tiempo entre cada una de las 256 mediciones: 49µs
- Tiempo total de las 256 mediciones: 12.5ms
- Tiempo entre mediciones promediadas: 61.5ms
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48
Fig. 3-9) Protocolo de tiempos para la medición de la corriente FV
Puesto que la medición de corriente se realiza a partir de una señal de voltaje cuyo
valor varía entre 0 y 5V, y el resultado de dicha medición que se utiliza está dado en 8
bits, la resolución correspondiente está dada como sigue:
mVQi 53.19256
V5==
Debido a la relación de transformación del sensor Hall (1V por cada 2 A), la
resolución de corriente que se tiene es de 39.06mA por bit del convertidor A/D interno.
Medición de voltaje FV: Esta medición se obtiene a partir de un convertidor
A/D de ocho bits, externo al microcontrolador, el cual envía un número binario que se
almacena en un registro.
Esta medición se realiza en dos estados de operación diferentes del convertidor, de
tal modo que la frecuencia de medición cambia en cada uno de ellos, como se muestra
en la Fig. 3-10. El primer estado de operación se realiza hasta antes de iniciar la
regulación, observándose en el lado izquierdo de la figura que las mediciones se realizan
cada 50 µs, con una duración de 18 µs cada una. El segundo estado ocurre durante la
etapa de regulación, donde el tiempo entre mediciones aumenta a 1.6 ms, como se
observa en el lado derecho de la figura.
Fig. 3-10) Protocolo de tiempos para la medición de voltaje
Capítulo 3. Esquema de control.
49
Durante el primer estado de operación, las mediciones se realizan únicamente para
verificar que el voltaje de las celdas FV supere el mínimo especificado para la operación
del convertidor; ésto es, que el voltaje FV sea mayor que 130V. Cumplido lo anterior,
las mediciones de voltaje se realizan tanto para obtener la potencia FV instantánea,
como para verificar que el voltaje de entrada se mantenga en el intervalo de operación
especificado (de 130V a 200V).
Considerando que el convertidor A/D externo es de ocho bits, la resolución que se
consigue en esta medición es:
mVV
Qv 53.19256
5==
Considerando la relación del divisor, la resolución con respecto al voltaje FV real
es de un cambio de bit por cada 0.976V en el panel FV.
La comunicación para transferir la información de datos y control entre el
microcontrolador y el convertidor A/D externo se realiza mediante el protocolo de
comunicación SPI. La comunicación serie con el potenciómetro digital se realiza por
medio de programación, utilizándose de una rutina que forma parte del programa
principal.
Potencia FV instantánea: Para calcular el valor de la potencia instantánea en
el convertidor (Psp), se toman los valores de voltaje y corriente de sus registros de ocho
bits, y se introducen en una rutina de multiplicación para dos números de ocho bits. Se
obtiene un resultado en 16 bits que se guarda en dos registros. La resolución de potencia
que se tiene es:
mWmVmAQQQ viP 14.38976*06.39* ===
Los requerimientos del sistema no exigen velocidad en el control, debido a que los
cambios del recurso disponible (irradiación y temperatura) son relativamente lentos con
respecto a otro tipo de fuentes de generación. Es por ello que no representa problema
alguno que se realicen promedios de hasta 256 mediciones para obtener una lectura mas
precisa de cualquiera de los parámetros requeridos.
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para Aplicaciones Fotovoltaicas.
50
3.4.2 OPERACIÓN DEL CONVERTIDOR A POTENCIA CONSTANTE Y
CON EL SEGUIMIENTO DEL PMP
Como parte del proceso de pruebas para operar el convertidor en el régimen del
seguimiento del PMP, se desarrolló un algoritmo de control con el que se consigue
operar en un régimen de potencia constante ante variaciones de carga y de línea.
a) Potencia constante: Para obtener la operación del convertidor a potencia
constante, se usa un algoritmo de control por comparación de potencia, en el que se
determina con antelación un valor fijo Psp, en hexadecimal de 16 bits, que corresponde a
un valor de potencia de 1000W. Dicho número se resta del valor de potencia Pins de la
última medición. En función del signo del resultado, se decide si es necesario aumentar
o reducir el número binario correspondiente al ajuste del ciclo de trabajo del convertidor.
La tasa de cambio del número binario con el que se modifica el ciclo de trabajo es
de un bit por medición de potencia. La variación del ciclo de trabajo depende de las
siguientes condiciones:
1) Si Pinst > Psp, el resultado es negativo, lo que indica que la potencia en la
entrada ha aumentado y es posible demandar más corriente. En consecuencia,
se aumenta el ciclo de trabajo, disminuyendo en una unidad el número binario
que se envía al potenciómetro digital.
2) Si Pinst < Psp, el resultado es positivo, lo que indica que la potencia FV se ha
reducido y no puede demandar más corriente. Entonces se reduce el ciclo de
trabajo, aumentando en una unidad el número binario que se envía al
potenciómetro digital.
Después de ajustar y enviar el valor correspondiente al ciclo de trabajo, se repite la
operación a partir de la medición de corriente, de tal forma que la potencia se mantiene
oscilando alrededor del valor preestablecido (1000W). Con la operación del convertidor
a potencia constante es posible verificar el adecuado funcionamiento del convertidor con
la máxima potencia especificada. Además, es posible realizar pruebas con regulación de
carga, regulación de línea y de respuesta dinámica a partir de una fuente de alimentación
controlable.
Capítulo 3. Esquema de control.
51
b) Seguimiento del PMP: Para la operación del convertidor en el régimen del
seguimiento del PMP, se utiliza la técnica de “perturbar y observar” (sección 3.2), en la
que se mide de forma continúa la potencia instantánea, actualizándose el valor de
potencia (Psp) con la penúltima medición. Ésta se compara con la última medición
realizada y, en función del resultado, se modifica el ciclo de trabajo para ubicar la
operación del convertidor alrededor del PMP.
3.5 REQUERIMIENTOS PARA EL FUNCIONAMIENTO DEL
CONVERTIDOR
a) Condiciones iniciales del convertidor
En el Apéndice B se muestra a detalle el diagrama de flujo del algoritmo de
control para el convertidor, en el cual se observa que la primera condición por cumplir
es que el botón de encendido esté habilitado. Para ello, se monitorea un bit cíclicamente
hasta que se verifica tal condición; cumplido lo anterior, se habilitan las compuertas
lógicas de salida (NOR) para las señales PWM y se envía al potenciómetro un número
hexadecimal (FFh) correspondiente al ciclo de trabajo de 0% para iniciar la operación
del convertidor.
Cuando el botón de encendido se deshabilita, se provoca una interrupción por
software que automáticamente deshabilita las compuertas de salida. En ese instante se
envía al potenciómetro el código necesario para generar un ciclo de trabajo de 0% (FFh),
asegurándose así el apagado de los interruptores. Ésto lo realiza sin importar en qué
estado de operación se encuentre el convertidor y, por tanto, es una condición que se
monitorea de manera continua mientras el convertidor permanece encendido.
Siguiendo el mismo diagrama de flujo, la siguiente condición que se debe cumplir
es que el voltaje FV sea mayor o igual a 130V. Esto se verifica restando el resultado
obtenido de la medición con el convertidor A/D externo, a un valor hexadecimal fijo
(5Ah), que corresponde al voltaje deseado.
La resta se realiza cíclicamente hasta que se verifica que se ha superado el valor
del umbral, y continúa durante el resto de la ejecución del programa. Mientras esta
condición sea válida, también se verifica que el botón de encendido permanezca
habilitado.
Convertidor CD/CD con Rizo de Corriente Reducido y Seguimiento del Punto de Máxima Potencia
para Aplicaciones Fotovoltaicas.
52
Cumplido lo anterior, el convertidor arranca con un encendido suave (Soft Start) el
cual se realiza cargando el valor hexadecimal correspondiente al ciclo de trabajo de 0%,
y disminuyéndolo en una unidad, cada 120ms, hasta llegar al valor (A0h)
correspondiente al 40% en el ciclo de trabajo. Cada decremento que se realiza se envía al
potenciómetro digital. La relación inversa que existe entre el decremento del código
hexadecimal y el incremento del ciclo de trabajo se debe a que, para conseguir el
intervalo de ciclo de trabajo que se requiere, se toman las salidas negadas del circuito
integrado TL494.
b) Protecciones
Se genera una interrupción externa cuando la corriente FV es mayor a 8.2A, ya
que el comparador produce un cambio de estado en el bit de interrupción por hardware
del microcontrolador. Esta interrupción tiene el mismo efecto que la interrupción por
software, sólo que la reacción es instantánea, puesto que no es una condición que se
tenga que estar monitoreando de manera continua desde el programa principal.
Durante la ejecución del programa de regulación para el seguimiento del PMP, se
monitorea de manera continua que el voltaje VF se mantenga dentro de las
especificaciones dadas. Ésto se realiza comparando el valor hexadecimal, obtenido del
convertidor A/D externo, con los valores correspondientes a 130V y 200V (5Ah y 8Ah,
respectivamente). Cuando en el resultado de la comparación el voltaje FV es menor que
130V, se envía un ciclo de trabajo de 0%, pues ésto indica que no hay suficiente energía
para inyectar a la línea. El monitoreo continúa hasta que dicho voltaje retoma el valor
mínimo de 130V; después de esto, el convertidor arranca nuevamente con un encendido
suave.
Cuando en el resultado de la comparación se verifica que el voltaje FV es superior
a los 200V, se envía el ciclo de trabajo suficiente para mantener el voltaje de salida por
debajo del parámetro máximo preestablecido en las especificaciones (Vo(máx)=250V).
c) Señalizaciones
El estado de operación del convertidor se conoce mediante luces indicadoras
ubicadas en la placa de control, que significan lo siguiente:
Capítulo 3. Esquema de control.
53
Antes de la regulación:
- Luces apagadas: el convertidor está apagado totalmente.
- Luz roja: convertidor encendido, pero el voltaje FV aún es menor que 130V.
- Verde: mientras ocurre el arranque suave se enciende esta luz y se apaga la roja.
Durante la regulación:
- Parpadeo azul: enciende y se apaga en cada incremento del ciclo de trabajo.
- Parpadeo rojo: enciende y se apaga en cada decremento del ciclo de trabajo.
Protecciones:
- Verde: nuevamente enciende cuando el voltaje FV es mayor que 200V.
- Rojo y azul: encienden cuando el voltaje FV es menor que 130V.
- Azul: indica que la corriente FV es mayor que 8.2A; necesita reiniciar.
3.6 CONCLUSIONES
Con el uso de un microcontrolador es posible operar el convertidor bajo diferentes
condiciones iniciales y modos de operación. Así, la versatilidad que presenta el circuito
de mando permite modificar fácilmente los parámetros para las protecciones del sistema
e incrementar el número de señales que el microcontrolador puede recibir y enviar a
otras etapas, ya que cuenta con canales y localidades en memoria disponibles. Del
mismo modo, las especificaciones de diseño pueden modificarse mediante cambios
sencillos en el programa.
Con la técnica de perturbar y observar es posible mantener al convertidor
operando en el régimen de seguimiento del PMP, sin necesidad de conocer las
características eléctricas y térmicas de los módulos FV y las condiciones atmosféricas en
las que se encuentra el sistema. El algoritmo opera con base en la diferencia entre los
últimos dos valores de potencia en la fuente de alimentación. Considerando su
aplicación en sistemas FV, los valores se miden a intervalos de tiempo relativamente
cortos (cada 61.5ms), lo que permite responder oportunamente a cambios de las
condiciones ambientales.
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54
55
Capítulo 4
Construcción y
pruebas 1 2 3 4
4.1 INTRODUCCIÓN
La potencia nominal de operación de los sistemas FV instalados en la ciudad de
Mexicali es de 850W, por lo que el convertidor se diseñó para operar a una potencia
máxima de 1000W. De éste modo se garantiza que el convertidor soporta de manera
segura cambios de potencia considerados en las especificaciones iniciales.
Por otro lado, puesto que las condiciones climatológicas en Cuernavaca pueden no
ser suficientes para que los paneles FV generen la potencia máxima de diseño del
convertidor, se previó una primera etapa de pruebas en los laboratorios del CENIDET.
Con estas pruebas se verifica el correcto funcionamiento del convertidor CD/CD
utilizando una fuente de alimentación capaz de producir los 1000W. Para ello, el control
del convertidor se programa para mantenerse operando en un punto fijo de potencia. Con
este modo de operación se verifica que el convertidor soporte 1000W y su
comportamiento ante regulación de carga y de línea. Además, se realizan pruebas de
respuesta dinámica y se obtiene la eficiencia experimental.
Convertidor CD/CD con Rizo de Corriente Reducido y Seguimiento del Punto de Máxima Potencia
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56
La segunda etapa de pruebas al convertidor se lleva a cabo en el IIE, con un
arreglo de paneles similar a los que se encuentran instalados en los sistemas FV. Para
esta fuente de alimentación, se programa el control del convertidor para operar en el
régimen del seguimiento del PMP; se verifica que tal modo de operación se desarrolle
adecuadamente, a la vez que se mide la eficiencia correspondiente.
4.2 CONSTRUCCIÓN DEL CONVERTIDOR
El convertidor se construyó de manera modular. Las diferentes etapas que lo conforman
son las siguientes:
1.- Etapa de control: en esta placa se incluyeron el sensor de corriente, los
optoacopladores para la comunicación con el convertidor A/D externo, el
microcontrolador, el potenciómetro digital, el circuito para la generación de las señales
de control con su circuito de acondicionamiento para operar con el potenciómetro digital
y las compuertas lógicas que se utilizan para habilitar e invertir las salidas de las señales
de control.
2.- Sensado de voltaje: aquí se implementa un divisor resistivo del que se toma el
voltaje por medir (VFV), el convertidor A/D externo, un circuito integrado para la
referencia de voltaje del convertidor A/D y los tres conectores para la comunicación con
el microcontrolador.
3.- Etapa de potencia: esta placa contiene los dos convertidores tipo elevador
entrelazados junto con sus impulsores, los optoacopladores, la circuitería y componentes
pasivos (L1, L2, C y R) necesarios para su funcionamiento.
4.- Troceador de carga: como complemento a la etapa de potencia, en otra placa se
construyó el control de un troceador, quedando listo para conectar las resistencias de
carga. Tal control se implementó con un circuito integrado TL494. El interruptor
utilizado es igual que el usado en los convertidores; por lo tanto, la placa también
contiene un impulsor, optoacoplador y circuitería necesaria para su funcionamiento.
En la Fig. 4-1 se muestra el convertidor terminado, montado en un gabinete, y las
etapas individuales de las que está formado.
Capítulo 4. Construcción y pruebas.
57
Fig. 4-1) Prototipo de convertidor interleaved con sus etapas individuales
4.3 PRUEBAS REALIZADAS EN EL CENIDET
4.3.1 REGULACIÓN DE CARGA
En esta prueba se mantiene constante el voltaje de entrada mientras el valor de la
resistencia de carga se varía desde 42Ω hasta 56Ω. La meta es verificar la capacidad que
tiene el control para mantener la potencia de salida constante, mientras el voltaje de
salida se conserva dentro de las especificaciones. Las condiciones bajo las cuales se
realizó la prueba son:
- Voltaje de entrada: VCD = 150V
- Variación de la resistencia de carga: 42Ω a 56 Ω
- Intervalo del voltaje de salida: Vo=Vinv, de 200Va 250V
4.- Troceador
2.- Adquisición de la señal de voltaje
Convertidor CD/CD con Rizo de Corriente Reducido y Seguimiento del Punto de Máxima Potencia
para Aplicaciones Fotovoltaicas.
58
Ante las variaciones del valor de RL, mediante el ajuste del ciclo de trabajo, se
modifica el valor de corriente a través de ésta y por lo tanto, también cambia su valor de
voltaje para mantener al convertidor operando en el régimen de potencia constante.
Para esta prueba se midieron el voltaje, la corriente y la potencia en la salida del
convertidor, registrándose también los valores de carga con las que se obtuvieron. Los
valores resultantes se concentran en la Tabla 4-1,
Tabla 4-1. Valores medidos de Vo, Io, y Po, en la prueba de regulación de carga
RL(Ω) Vo(V) Io(A) Po(W)
42
46.6
52
56
210.2
222.2
228.0
243.2
5.03
4.73
4.61
4.31
1056.9
1050.5
1052.2
1042.7
En la Fig. 4-2 se presentan dos gráficas. La primera de ellas muestra el
comportamiento de la potencia en la salida del convertidor ante las variaciones de la
carga. Se tiene una potencia promedio de 1052.3W± 4.55W, lo que representa un error
del 5.23% con respecto a lo programado. En la segunda gráfica se muestra el ajuste del
voltaje Vo en la resistencia de carga para mantener la potencia constante. Es evidente que
el voltaje en la salida del convertidor se mantiene dentro del intervalo especificado.
42 44 46 48 50 52 54 561000
1020
1040
1060
1080
1100Potencia de salida en regulación de carga
Resistencia(Ohms)
Pot
enci
a(W
)
Potencia medida
42 44 46 48 50 52 54 56200
210
220
230
240
250Voltaje de salida en regulación de carga
Resistencia(Ohms)
Vol
taje
(V)
Voltaje en la carga
Fig. 4-2) Comportamiento de la potencia Po (arriba) y voltaje de salida Vo (abajo)
Capítulo 4. Construcción y pruebas.
59
4.3.2 REGULACIÓN DE LÍNEA Y EFICIENCIA
Para operar el convertidor con regulación de línea, se conecta una carga fija de 52 Ω y se
hace un barrido del voltaje de entrada, desde 130V hasta 200V. Bajo estas condiciones
se comprueba que la potencia demandada a la fuente de alimentación sea constante, y
que el voltaje en la salida del convertidor permanezca en el intervalo de 200V a 250V.
En esta prueba se midieron los voltajes y corrientes en la entrada y la salida del
convertidor; los datos obtenidos se concentran en la Tabla 4-2.
Tabla 4-2. Datos obtenidos de la prueba en regulación de línea
VCD(V) ICD(A) Vo(V) Io(A) D(%)
130
140
150
160
170
180
190
200
7.88
7.53
6.80
6.35
6.18
5.76
5.49
5.20
226.2
230.7
227.1
226.8
231.1
230.0
230.8
230.6
4.36
4.43
4.36
4.38
4.45
4.41
4.44
4.43
41.2
37.3
31.5
27.9
23.9
19.4
14.9
8.87
En la parte superior de la Fig. 4-3 se muestra el comportamiento de la potencia de
entrada (PCD) y la potencia de salida (Po) del convertidor ante las variaciones de la
tensión de entrada (VCD). De los datos obtenidos en las mediciones, se tiene que la
potencia promedio demandada a la fuente de alimentación es de 1035W, con variaciones
de ±19W. Este valor de potencia representa un error del 3.5% con respecto al
programado en el microcontrolador.
Por otra parte, la potencia promedio en la salida del convertidor es de 1007W, con
variaciones de ±21W, lo que representa un error del 0.73% con respecto a lo
programado. Con los valores de potencias medidos es posible obtener la eficiencia del
convertidor a esta potencia. En la parte inferior de la Fig. 4-3 se muestra el
comportamiento de la eficiencia en regulación de línea.
Convertidor CD/CD con Rizo de Corriente Reducido y Seguimiento del Punto de Máxima Potencia
para Aplicaciones Fotovoltaicas.
60
130 140 150 160 170 180 190 200600
700
800
900
1000
1100
Potencias de entrada y salida
Voltaje de entrada (V)
Pot
enci
a (W
)
Potencia de entradaPotencia de salida
130 140 150 160 170 180 190 2000.9
0.92
0.94
0.96
0.98
1Eficiencia
Voltaje de entrada(V)
Efic
ienc
ia (%
)
Fig. 4-3) Potencia de entrada y salida del convertidor a 1000W (arriba)
y eficiencia (abajo)
En las gráficas anteriores se tiene lo siguiente: el voltaje medido en la salida del
convertidor tiene un valor promedio de 228.65V, con variaciones de ±2.45V; éste es el
valor esperado, puesto que la resistencia de carga se mantiene fija durante todo el
barrido de la tensión de entrada. La eficiencia promedio del convertidor es del 97%.
4.3.3 PRUEBAS DE RESPUESTA DINÁMICA
Para conocer la respuesta dinámica del convertidor ante variaciones instantáneas de
carga, se aplica un escalón de magnitud considerable en el valor de la resistencia RL
mientras el convertidor opera en el régimen de potencia constante, a 1000W. Las
condiciones de operación en el convertidor para realizar la prueba son las siguientes:
- VCD = 150V
- Vo = 230V
- Po = 1000W
Capítulo 4. Construcción y pruebas.
61
Los valores de las dos resistencias utilizadas son RL1 = 58Ω y RL2 = 44Ω. Bajo
estas condiciones se miden la potencia, el voltaje y la corriente en la salida del
convertidor, como se muestra en la Fig. 4-4, cuando se realiza el cambio en la resistencia
de carga, de 58Ω a 44Ω.
Fig. 4-4) Medición del voltaje, corriente y potencia en la salida del convertidor
con un escalón de carga de 58Ω a 44 Ω
De acuerdo a la medición hecha, cuando se reduce la resistencia de carga
abruptamente se observa lo siguiente:
Tiempo de reestablecimiento de la potencia: 550ms
Pico de corriente en el cambio de carga: 1.46A
Pico de potencia en el cambio de carga: 312W
Decremento de voltaje en el cambio de carga: 31V
Incremento de corriente: 800mA
En la Fig. 4-5 se muestran las mediciones de voltaje, corriente y potencia en la
salida del convertidor cuando la resistencia de carga cambia de 44Ω a 58Ω, y el voltaje
de entrada se mantiene en 150V. Los resultados relevantes obtenidos de esta medición se
muestran a continuación:
Tiempo de reestablecimiento de la potencia: 548ms
Pico de corriente en el cambio de carga: 920mA
Pico de potencia en el cambio de carga: 184.5W
Potencia de salida
Voltaje de salida
Corriente de salida
Voltaje de entrada
Convertidor CD/CD con Rizo de Corriente Reducido y Seguimiento del Punto de Máxima Potencia
para Aplicaciones Fotovoltaicas.
62
Fig. 4-5) Medición del voltaje, corriente y potencia de salida con un escalón de carga de 44Ω a 58Ω
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.81000
1100
1200
1300
1400
tiempo(s)
Pot
enci
a(W
)
Pico de potencia generado por un escalón de carga de 58 ohms a 44 ohms
0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8700
800
900
1000
1100
tiempo(s)
Pot
enci
a(W
)
Pico de potencia generado por un escalón de carga de 44 ohms a 58 ohms
Fig. 4-6) Pico de potencia generado por el escalón de carga de 44Ω a 58Ω (arriba)
y por el escalón de 58Ω a 44Ω (abajo)
Potencia de salida
Voltaje de salida
Corriente de salida
Voltaje de entrada
Capítulo 4. Construcción y pruebas.
63
En la Fig. 4-6 se muestran por separado los cambios en la potencia generados por
el escalón de carga. Es importante mencionar que éste es de 14Ω, lo que representa un
27% del valor de la carga nominal (52Ω). Para el primer caso, el pico de potencia es de
312W, lo que representa un 31.2% de la potencia nominal, mientras que para el segundo
caso, el pico generado es de 233W, lo que corresponde el 23.3%.
4.3.4 Rizos de corriente
Es importante verificar el comportamiento de la corriente a través de los inductores,
magnitud y desfasamiento de sus rizos (180º por tratarse de dos etapas), y de la corriente
que se demanda a la fuente de alimentación, cuyo nivel es el resultado de la suma de las
corrientes en los inductores y que debe exhibir un rizo de menor magnitud, al doble de la
frecuencia de conmutación.
El objetivo de esta prueba es medir estos parámetros, ya que así se comprueba que
las corrientes que circulan a través de los dos convertidores entrelazados son iguales y
que, por lo tanto, los dispositivos de potencia se utilizan bajo las mismas condiciones.
Las características de operación bajo las cuales se hicieron las mediciones son las
siguientes:
VCD = 150V
RL = 52Ω
Vo = 226V
Po= 1000W
Las corrientes que circulan a través de los inductores, la corriente que se demanda
a la fuente de alimentación y el detalle de los rizos se muestran en la Fig. 4-7, en la que
se observa claramente el desfasamiento de 180º de IL1 e IL2. Los ciclos de trabajo
individuales son menores del 43.4% y su frecuencia es de 75kHz.
El valor promedio de las corrientes medidas que circulan a través de los inductores
es de 3.7A operando a 75kHz, y la magnitud de sus rizos es de 230mA. Dicho valor de
frecuencia se verifica obteniendo en Matlab® el contenido armónico de la corriente de
algún inductor como se muestra en la Fig. 4-8.
Convertidor CD/CD con Rizo de Corriente Reducido y Seguimiento del Punto de Máxima Potencia
para Aplicaciones Fotovoltaicas.
64
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 1003
3.5
4
4.5
5
5.5
6
6.5
7
7.5
8
Tiempo (microseg)
Corriente (A)
IL1
IL2
IPV
Fig. 4-7) Corriente de entrada (ICD) y corrientes a través de los inductores (IL1 e IL2) a 1000W
103
104
105
106
0
0.01
0.02
0.03
0.04
0.05
0.06
Frequency (Hz)
Magnitud (A)
Fig. 4-8) Espectro en frecuencia de la corriente a través de IL1 e IL1
El valor promedio de la corriente ICD en esta medición es de de 7.4A, con un rizo
considerablemente menor a los rizos de corriente a través de los inductores (Fig. 4-7).
Para verificar la frecuencia de conmutación de este rizo, en la Fig. 4-9 se grafica su
espectro en frecuencia, en el que se observa una componente armónica a 150kHz
correspondiente al rizo de ICD, y se verifica la operación al doble de la frecuencia de
conmutación de los transistores.
ICD
IL1
IL2
Frecuencia (Hz)
Capítulo 4. Construcción y pruebas.
65
103
104
105
106
0
0.005
0.01
0.015
0.02
0.025
0.03
0.035
0.04
0.045
0.05
Frequencia (Hz)
Magnitud (A)
Fig. 4-9) Espectro en frecuencia de la corriente ICD
La medición de la corriente ICD se realizó junto con el voltaje de salida Vo del
convertidor, como se muestra en la Fig. 4-10. Se observa que el voltaje de salida es de
229.7V, el valor promedio de la corriente es de 7.3A y la magnitud de su rizo es de
140mA, mientras que el rizo de corriente a través de cada inductor es de 230mA.
Fig. 4-10) Medición de la magnitud del rizo de la corriente de alimentación
Corriente de entrada
Voltaje de salida
Frecuencia (Hz)
Convertidor CD/CD con Rizo de Corriente Reducido y Seguimiento del Punto de Máxima Potencia
para Aplicaciones Fotovoltaicas.
66
4.3.5 OPERACIÓN DEL CONVERTIDOR CON UN TROCEADOR COMO CARGA
Para verificar que la corriente demandada a los paneles FV (ICD) se mantiene sin
fluctuaciones, aún cuando la carga demanda corrientes con cambios abruptos, se
construye un troceador que sustituye a la resistencia de carga.
La frecuencia de operación del troceador es de 20kHz y el esquema del circuito
completo de prueba se muestra en la Fig. 4-11. Para esta prueba, el convertidor opera
con regulación de línea y de carga, puesto que ésta cambia abruptamente por la acción
del troceador. El circuito de control opera en función del voltaje que hay en la salida del
convertidor, sensándolo por medio de un divisor resistivo de 1:100, y manteniéndolo
dentro de los parámetros especificados del voltaje de salida. 3.5mH
500ohm71ohm
Q2 Q1Q3
D1
D2
3.5uF1:100.
3.5mH
VCD=130V
Q1=Q2=Q3:SPW17N80C3
D1=D2: 15ETX06
Fig. 4-11) Convertidor entrelazado con un troceador como carga
En la sección 2.2 se describen las características del troceador implementado, del
que resulta importante mencionar que los cambios de resistencia demandan variaciones
máximas de potencia de 125W a 1000W, mientras el voltaje de salida se mantiene
dentro de las especificaciones dadas (200V a 250V).
Los parámetros que interesa medir con esta implementación son: la corriente que el
convertidor demanda a la fuente de alimentación ICD, la corriente que se demanda al
convertidor Io, y el voltaje de salida Vo, como se muestra en la Fig. 4-12.
Fig. 4-12) Esquema obtenido para la prueba y puntos de las mediciones realizadas
Capítulo 4. Construcción y pruebas.
67
En estas mediciones es importante observar que, a pesar de que la corriente
demandada al convertidor tiene cambios pulsantes considerables, desde 460mA hasta
3.84A, la corriente que se demanda a la fuente se mantiene sin que dichas perturbaciones
se manifiesten de manera considerable.
En la Fig. 4-13 se muestran dichas mediciones, en las que se aprecian los cambios
abruptos de la potencia y la corriente demandada al convertidor.
Fig. 4-13) Mediciones realizadas al convertidor con un troceador como carga
Con la finalidad de apreciar mejor las mediciones realizadas, en las Figs. 4-13 y 4-
14 se muestran por separado las gráficas de los cuatro parámetros medidos.
Corriente de entrada Voltaje de salida Potencia de salida Corriente de salida
Convertidor CD/CD con Rizo de Corriente Reducido y Seguimiento del Punto de Máxima Potencia
para Aplicaciones Fotovoltaicas.
68
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9
x 10-4
3.5
4
4.5
5
5.5
6
6.5
tiempo(s)
Cor
rient
e(A
)Corriente FV
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9
x 10-4
0
1
2
3
4
tiempo(s)
Cor
rient
e(A
)
Corriente demandada por el troceador al convertidor
Fig. 4-14) Corriente de entrada y corriente demandada al convertidor con troceador
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9
x 10-4
210
220
230
240
250
260
270
tiempo(s)
Vol
taje
(V)
Voltaje en la salida del convertidor
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9
x 10-4
0
200
400
600
800
1000
tiempo(s)
Pot
enci
a(W
)
Potencia demandada al convertidor por el troceador
Fig. 4-15) Voltaje de salida y potencia demandada al convertidor por el troceador
Capítulo 4. Construcción y pruebas.
69
De las mediciones realizadas al convertidor bajo estas condiciones de operación se
concluye lo siguiente:
La corriente demandada a la fuente de alimentación es de 5.35A sin que se
reflejen los cambios de corriente que la carga demanda.
El rizo de la corriente de entrada es de 150mA, a una frecuencia de 150kHz.
El voltaje en la salida del convertidor se mantiene entre 205 y 250V.
Los cambios de corriente que el troceador demanda son de 3.38A.
La potencia demandada al convertidor cambia desde 125W hasta 976W,
representando incrementos de 851W. Se mantiene una resistencia fija de tal
modo que el convertidor nunca esté sin carga.
4.4 PRUEBAS REALIZADAS EN EL IIE
Las pruebas para verificar el funcionamiento del convertidor, operando en el régimen del
seguimiento del PMP con un panel FV, se realizaron en el Laboratorio de Generación
Fotovoltaica, de la Gerencia de Energías No Convencionales del IIE.
4.4.1 CARACTERÍSTICAS DE LOS PANELES FV
El arreglo FV está formado por módulos marca Siemens modelo SP75 cuyas
especificaciones de operación, bajo una irradiación de 1000W/m2 y una temperatura de
25ºC, son:
Potencia máxima: Pmáx = 75W
Corriente nominal: Inom = 4.4A
Corriente de corto circuito: Icc = 4.8A
Voltaje en circuito abierto: Voc = 21.7V
Voltaje nominal: Vnom = 17V
Eficiencia de conversión solar: η = 12%
Área del modulo: A= 0.632m2.
El arreglo FV que se usó en las pruebas incluyó 11 módulos conectados en serie,
con los que se consigue una potencia máxima de 825W bajo un nivel de irradiación de
1000W/m2 y una temperatura de 25ºC. Con este arreglo, el voltaje FV a máxima
potencia es de 187V, siendo éste un valor que se encuentra dentro de especificaciones.
La relación de conversión entre la potencia obtenida por la irradiación y la potencia en
CD que se necesita está dada como sigue:
Convertidor CD/CD con Rizo de Corriente Reducido y Seguimiento del Punto de Máxima Potencia
para Aplicaciones Fotovoltaicas.
70
* *CDP Irr A η= (4.1)
donde Irr el valor de la irradiación en W/m2. En la Fig. 4-16 se muestran los paneles FV
con los que se realizaron las pruebas.
Fig. 4-16) Paneles FV del IIE utilizados para pruebas
4.4.2 SEGUIMIENTO DEL PMP
Resulta necesario conocer el comportamiento característico en voltaje y corriente del
banco de paneles FV en los que, a costa de entregar mas corriente se reduce el nivel de
voltaje. De esta manera será posible determinar la ubicación del PMP. En la Fig. 4-17 se
muestran las curvas de VFV-IFV y PFV del arreglo. Estas curvas se obtuvieron bajo una
condición de irradiación de 884W/m2, con la que el PMP se ubica en 737W, de acuerdo
a la expresión (4.1).
Fig. 4-17) Comportamiento del voltaje y corriente del panel FV (arriba);
comportamiento de la potencia FV (abajo)
Capítulo 4. Construcción y pruebas.
71
La potencia que se puede obtener de los paneles FV depende directamente de la
campana de irradiación y la temperatura en la que se encuentran los módulos FV. Puesto
que dicha campana a su vez depende de las condiciones climatológicas, ésta se clasifica
comúnmente en tres tipos, como se muestra en la Fig. 4-18. Si se desea comprobar la
operación del convertidor a su capacidad máxima, las pruebas deberán realizarse durante
un día soleado.
Fig. 4-18) Campana de irradiación bajo tres condiciones climatológicas
Para obtener los resultados de esta etapa de pruebas se utilizó un equipo de registro
de datos (data logger) del IIE, con el que es posible tomar de manera simultánea los
valores de los voltajes y corrientes en la entrada, en la salida y de la irradiación, durante
largos periodos de tiempo.
La prueba no se pudo realizar con la resistencia de carga nominal de 52Ω, ya que
el incremento en la demanda de corriente que el convertidor necesitaba para seguir el
punto de máxima potencia provocó que el voltaje en los paneles cayera por debajo de
130V, lo que saca de operación al convertidor. Con base en lo anterior, resulta necesario
aumentar a 90Ω el valor de la resistencia de carga, para que la corriente demandada sea
menor y no se active la protección por bajo voltaje FV.
Los primeros resultados de esta prueba se obtuvieron en un día despejado, en un
horario de 12:00 hrs. a las 15:00 hrs., en el que fue posible operar desde el punto
máximo de la campana de irradiación, hasta que el nivel de la misma ya no fue
suficiente para que el convertidor operara, puesto que el voltaje de entrada caía por
debajo del mínimo especificado (VFV<130V).
En la Fig. 4-19 se muestran las gráficas del comportamiento de la irradiación y la
potencia demandada a los paneles FV. Las mediciones se realizaron con un periodo de
muestreo de tres segundos.
Convertidor CD/CD con Rizo de Corriente Reducido y Seguimiento del Punto de Máxima Potencia
para Aplicaciones Fotovoltaicas.
72
0 20 40 60 80 100 120 140 1600
200
400
600
800
1000MEDICIÓN DE LA IRRADIACIÓN Y LA POTENCIA FV DE 12:00 A 15:00Hrs.
tiempo(min)
Irra
diac
ión(
W/m
2),
Pot
enci
a F
V(W
)
IrradianciónPotencia FV
Fig. 4-19) Comportamiento de la irradiación y la potencia demandada al panel FV
La figura anterior muestra que el convertidor demanda la máxima potencia de los
paneles FV cuando la irradiación se encuentra por arriba de 650W/m2, pues a partir de
este valor el voltaje de entrada es de 135V y el convertidor empieza a operar con una
potencia FV de 536W. Por otro lado, el valor máximo de irradiación conseguido es de
968W/m2, con el que se obtuvo una potencia FV de 798W.
Puesto que el comportamiento de la potencia FV sigue el mismo que describe la
curva de irradiación, se verifica que el convertidor opera en el régimen del PMP.
4.4.3 EFICIENCIA DEL CONVERTIDOR
Nuevos resultados se obtuvieron durante un día con nubosidades, en el que se hicieron
mediciones de las 9:20 hrs. a las 15:20 hrs. para cubrir una mayor porción de la campana
de irradiación. La limitante del horario se debe a que, antes y después de las horas
indicadas, la irradiación no es suficiente para mantener el voltaje de los paneles por
arriba de 130V mientras se sigue el PMP. Sin embargo, en este día se presentaron
nubosidades que impidieron observar claramente la campana de irradiación, teniéndose a
cambio un día de irradiación variable que hizo posible verificar el seguimiento del PMP
cuando éste se mueve considerablemente. En la parte superior de la Fig. 4-20 se
muestran las curvas obtenidas de la irradiación, y las potencias de entrada y de salida.
Por otro lado, en la parte inferior de la figura se muestra el comportamiento de la
eficiencia del convertidor.
Capítulo 4. Construcción y pruebas.
73
0 50 100 150 200 250 300 3500
200
400
600
800
1000
Pot
enci
a(W
), Irr
adia
ción
(W/m
2)
tiempo(min)
IRRADIANCIÓN Y POTENCIAS MEDIDAS DE 9:20 A 15:20Hrs.
Irradiación(W/m2)Potencia FV(W)Potencia de salida(W)
0 50 100 150 200 250 300 3500.8
0.85
0.9
0.95
1
Efic
ienc
ia(%
)
tiempo(min)
EFICIENCIA DEL CONVERTIDOR
Eficiencia del convertidor
Fig. 4-20) Medición de la irradiación, potencia FV y potencia de salida (arriba);
medición de la eficiencia (abajo)
En la figura anterior se observa que la potencia demandada por el convertidor a los
paneles FV tiene el mismo comportamiento que la irradiación, lo que indica que sigue el
PMP de los paneles FV. En esta prueba el convertidor alcanzó una potencia máxima de
755.6W, coincidente con la mayor irradiación.
La potencia promedio a la que operó el convertidor en este régimen de operación
fue de 471.8W, y la irradiación promedio fue de 671.8W/m2. La eficiencia promedio del
convertidor fue del 95%.
4.4.4 OPERACIÓN CON TROCEADOR Y PANEL FV
Resulta de interés verificar el funcionamiento del convertidor bajo las condiciones que
más se aproximen a la operación en un sistema FV instalado, por lo que se realizaron
pruebas al convertidor reemplazando la carga fija por el troceador. Se verificaron el
comportamiento de los rizos de la corriente en la entrada IFV y la salida Io del
convertidor.
Convertidor CD/CD con Rizo de Corriente Reducido y Seguimiento del Punto de Máxima Potencia
para Aplicaciones Fotovoltaicas.
74
En la traza superior de la Fig. 4-21 se muestra la medición de las dos corrientes,
donde es evidente que los cambios abruptos de la corriente que se demanda al
convertidor no se manifiestan en la corriente demandada a los paneles FV. La traza
inferior corresponde a la potencia entregada por el convertidor.
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8
x 10-4
0
1
2
3
4
5
Cor
rient
e(A
)
tiempo(s)
Corriente de entrada y corriente FV con troceador y paneles FV
Corriente FVCorriente de salida
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8
x 10-4
0
100
200
300
400
500
600
tiempo(s)
Pot
enci
a de
sal
ida(
W)
Potencia de salida con troceador y paneles FV
Potencia en el troceadorVoltaje FV
Fig. 4-21) Medición de corrientes y potencia con troceador y panel FV
Las mediciones se tomaron con una irradiación de 845W/m2 y los valores medidos
son:
IFV = 4.08A
∆IFV = 115mA
VFV = 140V
Io(mín) = 0.4A
Io(máx)=3.76A
Pmáx en el troceador = 564W
Debe notarse que los valores medidos en las pruebas realizadas en el IIE no son
repetibles, ya que se obtuvieron en días diferentes. Sin embargo, los resultados son lo
suficientemente explícitos como para verificar que realmente se cumplen los objetivos
de las pruebas.
Capítulo 4. Construcción y pruebas.
75
4.5 Conclusiones
En este capítulo se mostraron los resultados obtenidos en las dos etapas de pruebas que
se realizan al convertidor construido.
En las pruebas de potencia (1000W) realizadas en el CENIDET, se observa que el
convertidor muestra un buen comportamiento ante las variaciones de carga, pues se tiene
un error del 5.23% ante variaciones del 27% de la carga nominal. En las variaciones de
línea, el convertidor regula con un error del 3.5% con respecto a la potencia programada
y la eficiencia obtenida es del 97%. Los cambios de carga para las pruebas de respuesta
dinámica también son del 27% de la carga nominal y el tiempo de reestablecimiento
promedio por cambio de carga es de 550ms.
En el IIE se verifica el comportamiento del convertidor operando en el régimen del
seguimiento del PMP de un banco de paneles FV. Dicho banco tiene una capacidad de
generación de 825W cuando la irradiación es de 1000W/m2 a una temperatura ambiente
de 25ºC. En las gráficas mostradas se aprecia que la potencia que demanda el
convertidor CD/CD sigue el mismo comportamiento que la irradiación, por lo tanto se
verifica el seguimiento del PMP. La eficiencia obtenida bajo estas condiciones de
operación es del 95%.
En las mediciones se verifica también el comportamiento de los rizos de corriente
a través de los inductores (∆IL1 e ∆IL2), desfasados 180º y en un mismo nivel de
corriente, mientras que el rizo de la corriente de entrada (∆ICD) es de una magnitud
menor (230mA y 140mA respectivamente). Por otro lado, para verificar que la corriente
de entrada no se ve afectada por la corriente que la carga demanda, en ambas etapas de
prueba se sustituyó la carga resistiva por un troceador, con el que se obtuvieron los
resultados esperados.
Convertidor CD/CD con Rizo de Corriente Reducido y Seguimiento del Punto de Máxima Potencia
para Aplicaciones Fotovoltaicas.
76
77
Capítulo 5
Conclusiones y
trabajos futuros 5.1 CONCLUSIONES
En este trabajo se presenta el diseño y la construcción de un convertidor elevador
entrelazado de dos etapas (interleaved). Sus principales características de operación son:
reducción del rizo de la corriente que se demanda a los paneles FV y operación en el
régimen del seguimiento del PMP, para aplicaciones FV en sistemas residenciales con
potencias de hasta 1000W.
Puesto que la dinámica del recurso FV es lenta (irradiación y temperatura), la
rapidez del control en el convertidor no es un factor relevante, sin embargo, en las
pruebas dinámicas de laboratorio se comprobó una buena respuesta ante cargas con
demanda de potencia fluctuante.
Puesto que el control se realiza mediante un microcontrolador, los intervalos de los
voltajes de entrada y de salida, las señalizaciones, algunas protecciones y el régimen de
operación pueden ajustarse mediante el cambio de algunos valores en el programa.
Además, puesto que algunos canales y localidades en memoria del microcontrolador
están disponibles, es posible aumentar o modificar sus funciones y modo de operación.
Convertidor CD/CD con Rizo de Corriente Reducido y Seguimiento del Punto de Máxima Potencia
para Aplicaciones Fotovoltaicas.
78
Las características de operación del convertidor desarrollado lo hacen una
topología competitiva frente a otras que se encontraron reportadas en la literatura.
Aunque tales topologías no operan precisamente bajo los mismos parámetros de diseño
y condiciones que el convertidor presentado, todas se diseñaron para incluirse en
sistemas FV. En la Tabla 5-1 se concentran las características principales de las
topologías que pueden compararse con los resultados de este trabajo.
Tabla 5-1. Características principales de topologías implementadas en sistemas FV
Referencia Topología PMP Potencia Eficiencia Características Año
[2] Buck SI 614.4W 92% 2001
76.75% Elevador a 25kHz
83.15% IDB a 25kHz
74.08% Elevador a 75kHz
[6]
Interleaved
de 2 etapas
SI
24W
78.24% IDB a 75kHz
2001
95% con snubbers
sin snubbers
[7]
Interleaved
de 2 etapas
NO
400W 91%
10 diodos, 2 inductores y 6 condensadores
adicionales
2003
88.79% con inductancias acopladas [23] Interleaved
de 2 etapas
SI 24W
84.40% sin inductancias acopladas
2003
[25]
Interleaved
de 2 etapas
NO
5kW
97%
Utiliza componentes pasivos para obtener un
encendido suave y pagado duro.
2004
95%
“Paralell power conversion
Technique (PPCT)”
85% Sin PPCT
[26]
Buck-boost
SI
500W
6 MOSFET´s, 6 resistencias y 1 condensador
adicionales.
1992
Convertidor
desarrollado
Interleaved
de 2
etapas
SI 1000W 95%-
97%
Elevador a 75kHz
Utiliza interruptores de tercera
generación Cool MOS
2005
Es interesante observar que, a pesar de que los interruptores del convertidor operan
con conmutación dura, se obtuvieron valores de eficiencia aceptables, entre el 95% y el
97% en promedio.
Con base en lo anterior, es claro que se verifica la hipótesis, pues con el uso de
interruptores Cool MOS de tercera generación es posible obtener una eficiencia superior
al 95%, considerándola alta por tratarse de una topología que no utiliza circuitos
auxiliares de ayuda a la conmutación.
Capítulo 5. Conclusiones y trabajos futuros.
79
Por otro lado, el convertidor presentado cumple satisfactoriamente con las
especificaciones dadas por el IIE para su diseño y operación, así como con los objetivos
de la tesis. Además, la característica de operación en el régimen de seguimiento del PMP
contribuye a que los paneles FV se aprovechen de la manera más eficiente.
El seguimiento del PMP es una característica deseable en sistemas FV
interconectados a la red eléctrica, ya que redunda en un incremento de la vida útil de los
paneles FV, y permite que la inversión inicial asociada a la adquisición e instalación del
sistema se amortice en menos tiempo.
5.2 TRABAJOS FUTUROS Puesto que las condiciones de operación del convertidor han llegado solamente hasta su
implementación con celdas FV y un troceador como carga, el trabajo futuro más
importante que se propone es la integración del convertidor en un sistema FV completo.
En este caso es importante considerar el análisis del balance de energía en el
condensador de salida del convertidor para su interconexión con el inversor.
La construcción del convertidor se hizo en forma modular, por lo tanto, otra
actividad que se propone es la integración de toda la circuitería en un solo circuito
impreso, con lo que se gana robustez y reducción en el tamaño del prototipo.
Convertidor CD/CD con Rizo de Corriente Reducido y Seguimiento del Punto de Máxima Potencia
para Aplicaciones Fotovoltaicas.
80
81
Referencias
[1] R. González, H. Jiménez y J. Lagunas, “Sistemas Fotovoltaicos Conectados a
Red”, Boletín IIE, Octubre-diciembre de 2003, Cuernavaca, Méx., pp. 140-144.
[2] E. Koutroulis, K. Kalaitzakis, and N. C. Voulgaris, “Development of a
Microcontroller-Based, Photovoltaic Maximum Power Point Tracking Control
System”, IEEE Transactions on Power Electronics, Vol. 16, No. 1, January, 2001,
pp. 46-54.
[3] Ted Brekken, Chris Henze, Ned Mohan, “Utility-Connected Power Converter for
Maximizing Power Transfer from a Photovoltaic While Drawing Ripple-Free
Current”, IEEE Power Electronics Specialists Conference, Vol. 3, 2002, pp. 1518-
1522.
[4] S. J. Chiang, K. T. Chang, and C. Y. Yen, “Residential Photovoltaic Energy
Storage System”, IEEE Transactions on Industrial Electronics, Vol. 45, No. 3,
June 1998, pp. 385-394.
[5] J. Gow and C. Manning, “Controller arrangement for Boost Converter Systems
Sourced from Solar Photovoltaic Arrays or Other Maximum Power Sources”, IEE,
Proc. Electr. Power Appl., Vol.147, No. 1, January, 2000, pp. 15-20.
[6] M. Veerachary, T. Senjyu and K. Uezato, “Maximum Power Point Tracking
Control of IDB Converter Supplied PV System”, IEE, Proceedings Electr. Power
Appl., Vol.148, No. 6, November, 2001, pp. 494-502.
Convertidor CD/CD con Rizo de Corriente Reducido y Seguimiento del Punto de Máxima Potencia
para Aplicaciones Fotovoltaicas.
82
[7] R. Gules, L. Lopes and L. Claudio, “An Interleaved Boost DC-DC Converter with
Large Conversion Ratio”, Proceedings of the International Symposium on
Industrial Electronics ISIE-2003, Vol. 1, pp. 411-416.
[8] H. Terai, S. Sumiyoshi, H. Omori, K. Ogura, H. Iyomori, “Utility-Interactive Solar
Photovoltaic Power Conditioner with Soft Switching Sinewave Modulated Inverter
for Residential Applications”, Proc. IEEE Power Electronics Specialist Conf.
(PESC), Australia, Vol. 3, June, 2002, pp. 1501-1505.
[9] Y. M. Chen, Y. C Liu and F. Y. Wu, “Multi-Input DC/DC Converter with Ripple-Free Input Currents”, IEEE Power Electronics Specialists Conference, 2002, pp. 796-802
[10] J. A. M. Bleiljs and J. A. Gow, “Fast Maximum Power Point Control of Current-
Fed DC/DC Converter for Photovoltaic Arrays”, Electronics Letters, Vol. 37, No.
1, January, 2001, pp. 5-6.
[11] M. S. Elmore, “Input Current Ripple Cancellation in Synchronized, Parallel Connected Critically Continuous Boost Converters”, IEEE Applied Power Electronics Conf., March, 1996, pp. 152-158
[12] Alexander B. Maish, “Photovoltaic System Reliability”, Proceedings of the 26th
IEEE Photovoltaic Specialists Conference, Anaheim CA, September 29 - October
3, 1997, pp. 1049-1054.
[13] Hart W. Daniel, “Introduction to Power Electronics”, Prentice Hall, 1997.
[14] C. Aguilar, “Sistemas de Alimentación Conmutados”, CENIDET, Notas de curso,
cuatrimestre enero-julio de 2004.
[15] G. Chryssis, “High-frequency switching power supplies theory and design”,
McGraw-Hill. 1989.
[16] Colonel Wm. T. McLyman, “Transformer and Inductor Design Handbook”,
Second edition, 1998.
Referencias.
83
[17] D. He and R. M. Nelms, “Peak Current-Mode Control for a Boost Converter Using
an 8-bit Microcontroller”, Proceedings of the 2003 IEEE 34th Annual Power
Electronics Specialists Conference, June 2003, pp. 938-942.
[18]Thermal Management Solutions, Thermalloy Inc, accessories catalogue, March
1995, pp. A10-A16, C60.
[19]M. Calais, J. Myrzik, T. Spooner, V. Agelidis, “Inverters for Single-Phase Grid
Connected Photovoltaic Systems – An Overview”, IEEE PESC´02, Vol. 2, pp.
1995-2000.
[20] M. Veerachary, T. Senjyu and K. Uezato, “Voltage-Based Maximum Power Point
Tracking Control of PV System”, IEEE Transactions on Aerospace and Electronic
Systems, Vol. 38, No.1, January, 2002, pp. 262-270.
[21] Johan H.R. Enslin, Mario S. Wolf, Daniel B. Snyman and Wernher Swiegers,
“Integrated Photovoltaic Maximum Power Point Tracking Converter”, IEEE
Transactions on Industrial Electronics, Vol.44, No. 6, Dec., 1997, pp. 769-773.
[22] Yaow-Ming Chen, Yuan-Chuan Liu, and Feng-Yu Wu, “Multi-input Converter
with Power Factor Correction, Maximum Power Point Tracking, and Ripple-Free
Input Currents”, IEEE Transactions on Power Electronics, Vol. 19, No. 3, May,
2004, pp. 631-639.
[23] M. Veerachary, T. Senjyu and K. Uezato, “Maximum Power Point Tracking of
Coupled Inductor Interleaved Boost Converter Supplied PV System”, IEE
Proceedings. Electr. Power Appl., Vol. 150, No. 1, January, 2003, pp. 71-80.
[24] Soft ferrites and accessories, Application Note, Ferroxcube, 2002.
[25] E. Sanchis-Kilders, A. Ferreres, E. Maset, J. Ejea, V. Steve, J. Jordan, R. Garcia
and A. Garrigbs, “High Power Passive Soft Switched Interleaved Boost
Converters”, Proceedings of the 2004, 35th annual IEEE Power Electronics
Specialist Conference, 2004, pp. 426-432.
Convertidor CD/CD con Rizo de Corriente Reducido y Seguimiento del Punto de Máxima Potencia
para Aplicaciones Fotovoltaicas.
84
[26] D. B. Snyman and Johan Enslin, “Analysis and Experimental Evaluation of a New
MPPT Converter Topology for PV Installations”, IEEE PESC Conf. Rec., 1992,
pp. 542-547.
[27]International Rectifier, “Hyperfast rectifier 15EXT06”, Bulletin PD-20652 rev. B 02/04, datasheets.
85
Apéndice A Se muestran los diagramas esquemáticos de las etapas implementadas para el
control del convertidor y su etapa de potencia, como sigue:
- Sensado de corriente FV: esta etapa involucra desde la adquisición de la señal
de voltaje, que está en función de la corriente a través del sensor Hall, hasta las
salidas al microcontrolador; la primera de ellas, analógica, se utiliza para medir
la corriente y la segunda es una señal digital utilizada para la protección por
sobrecorriente.
+15V
-15V
+5V
Gnd
Interrupcion por hardw are, pin 32
Al ADC del micro, pin 2
10k1.2k
Sensor Hall
1 2 3
1n
1k
1/2 AD823
3
2
74
6
+
-
V+
V-
OUT
1/2 AD823
3
2
74
6
+
-
V+
V-
OUT1n
Fig. A-1) Diagrama esquemático de la etapa para el sensado de corriente FV
- Sensado del voltaje FV: en esta etapa se toma el voltaje directamente desde el
bus de CD y se convierte en un número binario correspondiente al nivel medid
involucrando hasta la salida del convertidor A/D, antes de los optoacopladores.
100k100kC2
10k
10k
R31k
Bus CD, VFV
12
C1
REF03
1234 5
678
.
.
.
. ....
J2ADC
12345 6 7 8
..... . . .
1k
C7
1nC8
1n
C410uC3
.1u
1/2 AD823
3
2
74
6
+
-
V+
V-
OUT
JP4
Comunicacion con el micro
12345
JP2
12
R610k
1/2 AD823
3
2
74
6
+
-
V+
V-
OUT
+5V´
gnd´
+5V´
+5V´gnd´
Divisor devoltaje
ADCexterno
Fig. A-2) Diagrama esquemático de la etapa para el sensado de voltaje FV
Convertidor CD/CD con Rizo de Corriente Reducido y Seguimiento del Punto de Máxima Potencia
para Aplicaciones Fotovoltaicas.
86
- Procesamiento de la información y aislamiento: en esta etapa se incluye el
microcontrolador y los optoacopladores de aislamiento con el convertidor A/D
serial externo, que se encuentra alimentado con voltaje de la etapa de potencia.
Gnd
+5V
ADC del micro
Reloj
Habilitación de pot
Datos pot
A pin 26 del micro
Gnd
+5V
Gnd
Gnd
Protección de SC A compuertas NOR
10k
Luces indicadoras
Reset
1
2
7414
1 2
270
JP7
A reloj y datos del ADC externo
1234
JP6A Habilitación del ADC externo
12
0.1u
20MHz0.1u
J8A2611
12345
678
.
.
.
.....
270
J9A2611
1234 5
678
.
.
.
. ....
R10
270
J3A2611
56781
234
.
.
.
.....
R11
270
J2PIC 17F877A
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 202122232425262728293031323334353637383940
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .....................
270
D1N1190
1
20.1u
10k
470470
D2
DATA
IN
Reset
CLK
Botón deencendido
Aislamiento delmicro con elADC externo
Fig. A-3) Diagrama esquemático del procesamiento de la información
Apéndice A.
87
- Conversión de números binarios del micro a señales PWM: esta etapa incluye
el potenciómetro digital, el circuito integrado TL494 con su etapa de
acondicionamiento de voltajes y las compuertas de habilitación para las señales
de control.
+5V
-5V+5VGnd
Habilitación potReloj potDatos pot
+5V
Gnd
Compuertas NOR
+5V
A impulsor 1
A impulsor 2
DS1267
1 2 3 4 5 6 7891011121314
. . . . . . ........
20k
1/2 AD823
3
2
74
6
+
-
V+
V-
OUT
10k
10k
100k
10k
10k10k
10k
1k Vref =0.2V
1n
R20
100k
R19
100k
1001/2 AD823
3
2
74
6
+
-
V+
V-
OUT
100
1k
TL494
1 2 3 4 5 6 7 8910111213141516
. . . . . . . .........
7402
2
31
74022
31
Potenciometro digital
Ajuste de voltajes
Generación deseñales PWM
Habilitaciónde señalesPWM
Fig. A-4) Diagrama esquemático del potenciómetro digital, el TL494 y
las compuertas de habilitación e inversión de D
- Aislamiento e impulsores para la etapa de potencia: la etapa de potencia
comprende los convertidores tipo elevador entrelazados, con sus impulsores y la
etapa de aislamiento.
0
C3
100u
100u
U1H11AV2
0.1u
LM7805/TO
1
3
2VIN
GN
D
VOUT
4k
JP2
Opto 1
12
390
+15V
salidaGND
10ugndNCIN
Vs
out
Vs
gnd
out
U4
AD8170AN/AD
1234
8765
R3
10
0.1u0.1u 10u
salida+15V´
GND´
gate1
Fig. A-5) Diagrama esquemático del aislamiento y el impulsor para cada interruptor
Convertidor CD/CD con Rizo de Corriente Reducido y Seguimiento del Punto de Máxima Potencia
para Aplicaciones Fotovoltaicas.
88
89
Apéndice B En esta sección se muestran los diagramas de flujo del algoritmo de control para el
convertidor presentado.
- Diagrama de flujo general del algoritmo de control: muestra a grosso modo un
esquema general del algoritmo de control realizado para el convertidor.
Fig. B-1) Diagrama general del algoritmo de control
Convertidor CD/CD con Rizo de Corriente Reducido y Seguimiento del Punto de Máxima Potencia
para Aplicaciones Fotovoltaicas.
90
- Diagrama de flujo de la interrupción por hardware: opera cuando la IFV rebasa
el límite preestablecido.
Fig. B-2) Diagrama de flujo de la interrupción por hardware
Apéndice B.
91
- Condiciones iniciales y encendido suave:
Fig. B-3) Diagrama de flujo para las condiciones iniciales de operación
Convertidor CD/CD con Rizo de Corriente Reducido y Seguimiento del Punto de Máxima Potencia
para Aplicaciones Fotovoltaicas.
92
- Diagrama de flujo para el seguimiento del PMP:
Fig. B-4) Diagrama de flujo para el seguimiento del PMP
93
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