Convertidor Buck-Boost de inductores acoplados para
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Convertidor Buck-Boost de inductores acoplados para aplicaciones fotovoltaicas. TITULACION: Ingeniería Técnica Industrial en Electrónica Industrial AUTOR Andrés Roca. DIRECTOR: Roberto Giral. FECHA: Septiemnbre del 2013. ~1~ Agradecimientos Es necesario dedicar unas palabras a todas las personas que han colaborado en la realización de este proyecto. En especial a mi familia por ser el apoyo económico y moral necesario para poder cursar los estudios. Agradecerle a Roberto Giral, toda su ayuda prestada, comprensión y dedicación durante todo el transcurso del proyecto. A los compañeros del laboratorio en especial a J Mª Bosque por la ayuda incondicional prestada. ~3~ 1 Índice Convertidor Buck-Boost de inductores acoplados para aplicaciones fotovoltaicas Índice ÍNDICE ..................................................................................................................................................... 4 1 INTRODUCCIÓN ..................................................................................................................................... 6 2 MEMORIA DESCRIPTIVA ........................................................................................................................ 7 2.1 OBJETIVOS .................................................................................................................................................. 7 2.1.1 Objetivos realizados. ........................................................................................................................ 7 2.1.2 Objetivos específicos del presente proyecto. ................................................................................... 8 2.1.3 Objetivo posterior del presente proyecto. ....................................................................................... 8 2.2 PANEL SOLAR. ............................................................................................................................................. 9 2.2.1 Panel solar fotovoltaico BP585. ....................................................................................................... 9 2.2.2 Distribución panel solar fotovoltaico. ............................................................................................ 11 2.2.3 Problema de los paneles fotovoltaicos. ........................................................................................ 12 2.3 CONVERTIDOR CC‐CC. ................................................................................................................................ 14 2.3.1 Funcionamiento general. ............................................................................................................... 14 2.3.1 Buck reductor. ................................................................................................................................ 15 2.3.2 Boost elevador. .............................................................................................................................. 18 2.4 CONTROL PID ........................................................................................................................................... 20 2.4 BATERÍAS, CARGA UTILIZADA. ........................................................................................................................ 21 2.5 NECESIDAD DEL USO DE UN CONVERTIDOR. ...................................................................................................... 22 3 CIRCUITO ELECTRÓNICO. ..................................................................................................................... 24 3.1 INTRODUCCIÓN. ......................................................................................................................................... 24 3.2 FUNCIONAMIENTO DEL CONVERTIDOR. ........................................................................................................... 25 3.2.1 Componentes externos .................................................................................................................. 26 3.2.2 Etapa de potencia .......................................................................................................................... 27 3.2.3 Etapa de control ............................................................................................................................. 36 4 SIMULACIONES PSIM ........................................................................................................................... 47 4.1 INTRODUCCIÓN .......................................................................................................................................... 47 4.2 SIMULACIÓN SOLO POTENCIA. ....................................................................................................................... 48 4.3 SIMULACIÓN SOBRE TENSIÓN. ....................................................................................................................... 49 4.4 SIMULACIÓN BUCK/BOOST. .......................................................................................................................... 50 4.4.1 Cambio de Modo de operación buck/boost. .................................................................................. 50 5 LABORATORIO ..................................................................................................................................... 51 5.1 INTRODUCCIÓN .......................................................................................................................................... 51 5.2 REPARACIÓN PLACA DE POTENCIA. ................................................................................................................. 52 5.2.1 Pasos previos. ................................................................................................................................ 53 5.2.2 Equipos necesarios. ........................................................................................................................ 53 5.2.2 Pruebas a realizar .......................................................................................................................... 54 5.2.3 Errores encontrados ....................................................................................................................... 55 5.2.4 Soluciones implementadas. ........................................................................................................... 55 5.3 MONTAJE DE LA PLACA DE CONTROL............................................................................................................... 64 5.3.1 Pasos a seguir. ............................................................................................................................... 64 5.3.2 Errores en el montaje de la Placa de control. ................................................................................ 64 5.3.3 Comprobación de la placa de control, alimentación. .................................................................... 67 ~4~ 1 Índice Convertidor Buck-Boost de inductores acoplados para aplicaciones fotovoltaicas 5.4 PRUEBAS DE FUNCIONAMIENTO. .................................................................................................................... 68 5.4.1 Etapa de potencia. ......................................................................................................................... 69 5.4.3 Lazo de corriente prueba placa de control circuito abierto. .......................................................... 73 5.4.4 Pruebas con el panel Fotovoltaico. ................................................................................................ 76 5.4.5 Lazo de tensión lazo cerrado.......................................................................................................... 77 5.4.6 Ajuste final ..................................................................................................................................... 84 5.5 RENDIMIENTO DEL CONVERTIDOR. ................................................................................................................. 86 6 ACTUALIZACIÓN DEL CIRCUITO ............................................................................................................ 89 7 PLANOS ELÉCTRICOS. ........................................................................................................................... 90 8 PRESUPUESTOS. .................................................................................................................................. 99 8.1 PLACA DE POTENCIA .................................................................................................................................... 99 8.2 PLACA DE CONTROL .................................................................................................................................. 100 8.2 OTROS ACCESORIOS .................................................................................................................................. 101 8.4 RESUMEN DEL PRESUPUESTO ...................................................................................................................... 101 9 CONCLUSIONES ................................................................................................................................. 102 10 BIBLIOGRAFÍA .................................................................................................................................. 103 11 INFORMACIÓN COMPLEMENTARIA .................................................................................................. 104 ABREVIATURAS .............................................................................................................................................. 104 ANEXO1 MANUAL DE FUNCIONAMIENTO ............................................................................................................ 105 ANEXO 2 LISTADO DE FIGURAS .......................................................................................................................... 107 ANEXO 3 LISTADO DE ECUACIONES. ................................................................................................................... 109 ANEXO 4 LISTADO DE TABLAS ........................................................................................................................... 110 ~5~ 1 Introducción Convertidor Buck-Boost de inductores acoplados para aplicaciones fotovoltaicas 1 Introducción Las energías renovables empiezan a tener un papel muy importante en nuestra sociedad. Cada vez que me preguntan familiares, amigos, conocidos... sobre mi proyecto final de carrera y comento que se trata sobre paneles fotovoltaicos, utilizar la energía del Sol, sus respuestas siempre suelen ser la mismas, el futuro, una energía limpia, “económica”, una solución alternativa al petróleo…. Como sabemos, si nos informamos bien no es tan simple utilizar esta energía y no es tan barata y limpia como muchos piensan. Hoy en día muchas personas creen que hay razones económicas para impedir que las energías renovables florezcan y en el lado opuesto gente que afirma haber encontrado energía “infinita” mientras venden algún que otro producto “milagro”. Mientras tanto, entre estos “monstros economistas” nos encontramos los universitarios, gente de a pie realizando investigaciones proyectos teóricos o prácticos, ya se han por motivo económico, voluntario o de carácter obligatorio para completar la carrera en curso. Con el único fin de aprender, reunir los conocimientos adquiridos y plasmarlos en un trabajo. En mi caso realizar este proyecto final de carrera. El objetivo de este proyecto reside en ofrecer la máxima eficiencia de los paneles fotovoltaicos, como veremos a continuación, estos paneles fotovoltaicos son incapaces de ofrecer una potencia estable pos si solos y por lo tanto aceptable, por este motivo es necesario realizar un circuito para conseguir que los paneles fotovoltaicos sean eficientes. ~6~ 1 Memoria descriptiva Convertidor Buck-Boost de inductores acoplados para aplicaciones fotovoltaicas 2 Memoria descriptiva 2.1 Objetivos El objetivo principal es llevar a cabo la implementación práctica del proyecto teórico [2]“Analysis and design of a Buck-Boost converter for PV applications with coupled inductor and Sliding Mode Control”, cuya idea principal surgió de la publicación [1]“Current-Mode Control of a Coupled-Inducto Bucl-Boost DC-DC Swiching Converter”. La finalidad del proyecto en su conjunto, consiste en realizar un control sobre la tensión de entrada para conseguir la máxima eficiencia de los paneles solares, ya que estos pueden tener serias perturbaciones dependiendo de la energía solar recibida. 2.1.1 Objetivos realizados. Es importante dar a conocer el trabajo que ha sido realizado en el proyecto teórico previo [2], para poder expresar los objetivos específicos del presente proyecto. El Trabajo realizado con anterioridad es: 1. Estudio teórico del proyecto (investigación, memoria de cálculo). 2. Diseño de las placas electrónicas (Orcad, Layout). 3. Simulaciones mediante el programa PSIM. 4. Presupuestos. 5. La placa de potencia con todos los componentes (no funciona correctamente). 6. La placa de control y componentes necesarios (sin montar). ~7~ 1 Memoria descriptiva Convertidor Buck-Boost de inductores acoplados para aplicaciones fotovoltaicas 2.1.2 Objetivos específicos del presente proyecto. El objetivo de este proyecto es demostrar que el circuito diseñado es capaz de regular la tensión de entrada siguiendo una consigna determinada. Para conseguir este objetivo los pasos realizados, han sido: 1. Adquisición de conceptos teóricos. 2. Reparar la placa de potencia (laboratorio). 3. Montar placa de control (laboratorio). 4. Comprobaciones finales (laboratorio). 5. Cálculo del rendimiento (laboratorio). 6. Redactar el proyecto. 2.1.3 Objetivo posterior del presente proyecto. Al tratarse de un trabajo de gran magnitud este se ve separado por diferentes proyectos. Una vez realizado todos los objetivos de este proyecto, quedaría pendiente la realización de un MPPT capaz de generar las consignas de forma automática recogiendo los valores de la tensión y la corriente de entrada. ~8~ 1 Memoria descriptiva Convertidor Buck-Boost de inductores acoplados para aplicaciones fotovoltaicas 2.2 Panel Solar Los paneles solares son módulos que aprovechan la radiación solar, transforman la energía solar en una energía que podemos utilizar. Las principales energías generadas de los paneles solares son: la energía solar térmica y la energía solar fotovoltaica. En nuestro caso nos interesan los paneles fotovoltaicos, que generan electricidad a través del Sol. 2.2.1 Panel solar fotovoltaico BP585. La elección del panel fotovoltaico viene determinada de la tensión-corriente que ofrece, se puede decir la potencia que entrega a nuestro circuito. En nuestro caso, el panel disponible en el laboratorio es el BP585, este panel ofrece una potencia de 85 W y ofrece una tensión de 18 voltios. En el proyecto inicial [2], por error o al ser una estudiante de Erasmus y en su universidad tienen otros paneles, nombran al panel BP485. La nomenclatura en los paneles de la marca BP los dos últimos dígitos significan la potencia que ofrecen. Podemos decir que son compatibles, para poder afirmar esto es necesario comprobar las características de ambos, la siguiente tabla ofrece la información necesaria para poder determinar la compatibilidad de los paneles y además da conocimiento de las características de nuestro panel fotovoltaico. ~9~ 1 Memoria descriptiva Convertidor Buck-Boost de inductores acoplados para aplicaciones fotovoltaicas Comparando las características de los 2 paneles observamos: Características eléctricas BP485 Diseño BP585 Practico Potencia máxima nominal (Pmax) 85 W 85 W Corriente en Pmax (Imp) 4,90 A 4,72 A Tensión en Pmax (Vmp) 17,80 V 18,00 V Corriente de cortocircuito (Isc) 5,40 A 5,00 A Tensión en circuito abierto (Voc) 22,00 V 22,30 V Desviación por temperatura (W) (-0.5±0.05 ºC)%/ºC (-0.5±0.05 ºC)%/ºC Tension máxima del sistema 600 V 600 V Tabla 1. Características del panel solar BP 485 y BP585. La potencia ofrecida en ambos paneles es la misma, su diferencia reside en que el panel BP585 ofrece un poco más de tensión y un poco menos de corriente. Con estas comprobaciones podemos decir que independientemente del panel que se utilizó para el diseño, el circuito es compatible para ambos paneles fotovoltaicos. ~ 10 ~ 1 Memoria M desscriptiva Convertidorr Buck-Boosst de inductorres acoplado os para aplicaciiones fotovolltaicas 2.2.22 Distribuciión panel soolar fotovolltaico. Figuraa 1. Panel solar BP585. En la figura 1 se puede observar laa disposició ón de las celdas c del ppanel solar, esta distriibución reciibe el nombbre de colmeena de abejaa por su parrecido. En ell panel fotovoltaico esttas celdas see encuentran n conectadaas en serie. El paanel está forrmado por 36 3 celdas reepartidas en 4 columnass de 9 celdaas cada una. Cadaa celda geneera aproxim madamente 0,5 0 voltios en e este paneel. ~ 11 ~ Convertidorr Buck-Boosst de inductorres acoplado os para aplicaciiones fotovolltaicas 1 Memoria M desscriptiva 2.2.33 Problema de los pan neles fotovolltaicos. Los paneles p fotoovoltaicos tienen t diverrsos problem mas que see deben teneer en cuentaa a la hora de diseñar el circuito electrónico. e Estoss problemass vienen proovocados, porque p la en nergía solarr que irradiaa en un pan nel no es uniforme, u a además, el panel se encuentra situado enn el exterior, ocasion nando pertuurbaciones tales comoo: Animaless, excremen ntos de estoos, hojas, ssuciedad, nubes, n tempperatura, incclinación dee los rayos del d sol... De foorma generaal podemos diferenciarr dos tipos de d problemaas: Prob blema 1 tem mperatura. EL problema p caausado por la temperattura, como observamoos en la figu ura 2, la teensión ofreccida por el panel p solar puede p llegaar a variar 7 voltios deppendiendo dde la temperratura del mismo. m De esta figura sacamos la conclusión c q la mayo que or eficienciaa del panel solar se pro oduce cuanndo este tienne una baja temperatura t a, las primerras horas dee sol. Figgura 2. Curvas características panel fotovoltaaico. ~ 12 ~ 1 Memoria descriptiva Convertidor Buck-Boost de inductores acoplados para aplicaciones fotovoltaicas Problema 2 Efecto sombra Este problema que se conoce por el nombre efecto sombra, se produce cuando una celda deja de conducir. Estas celdas son diodos que al recibir energía solar, se polarizan, generando un corriente y un valor de tensión. Si una de estas celdas deja de conducir, esté diodo impide el paso de la corriente causando un circuito abierto. Ocasionando que la tensión generada por los otros diodos, al no poder circular, se encuentre en bornes del diodo en question pudiendo sufrir una rotura por sobretensión. Una solución eficaz implementada de serie en los paneles solares. Es introducir diodos bypass entre cada columna de 9 celdas. De esta manera cuando una celda se queda sin funcionar, la corriente circulara por el diodo bypass. Figura 3. Efecto sombra. Entonces si un diodo deja de funcionar la tensión en bornes sería como máximo la de los 8 restantes de la columna. Estos diodos están preparados para aguantar esta tensión. Por lo tanto podemos decir que los paneles fotovoltaicos BP585 ya cuentan con una solución eficaz para el problema denominado “efecto sombra”. ~ 13 ~ 1 Memoria descriptiva Convertidor Buck-Boost de inductores acoplados para aplicaciones fotovoltaicas 2.3 Convertidor CC-CC Los convertidores CC-CC son circuitos de potencia que convierten una señal continua en otra señal continua, generalmente a un valor regulado. Idealmente la potencia de salida es igual a la potencia de entrada, como sabemos esto nunca sucede ya que todos los elementos tienen un pequeño consumo de energía. De los distintos tipos de convertidores que existen, explicaremos el convertidor buck y el convertidor boost ya que son los utilizados en nuestro proyecto. Posteriormente en el apartado 3 circuito electrónico entraremos en profundidad en explicar la funcionalidad de estos convertidores utilizando nuestro diseño. 2.3.1 Funcionamiento general. Los convertidores tanto el buck como el boost utilizan los mismos componentes electrónicos, solo cambia la disposición de estos. El funcionamiento de los convertidores viene del accionamiento de un interruptor, generalmente MOSFET, gracias a la situación de los componentes este interruptor ofrece un cambio muy interesante en el circuito. Para realizar la explicación de ambos modos de funcionamiento, diferenciaremos el modo Ton y Toff, interruptor encendido o apagado. Además realizaremos un diseño mediante el programa PSIM y las simulaciones necesarias para aclarar el funcionamiento de estos convertidores. ~ 14 ~ Convertidorr Buck-Boosst de inductorres acoplado os para aplicaciiones fotovolltaicas 1 Memoria M desscriptiva 2.3.11 Buck redu uctor. La tipología Bucck es la enccargada de reducir r la teensión de saalida respectto a la tensión de entraada. Figurra 4. Tipología Buck. Mod do ton Pulsaador cerrad do. En esste modo laa corriente circulara c porr el inductorr como se muestra m en lla figura 5. VL Vout Vinn Figurra 5. Circulacióón de la corrientte en Ton modoo buck. La teensión del innductor seráá: (1) (2) Entonces el incrremento de la corrientee en este casso es: (3) ~ 15 ~ Convertidorr Buck-Boosst de inductorres acoplado os para aplicaciiones fotovolltaicas 1 Memoria M desscriptiva Mod do toff Pulsador abiertto VL Vout Vinn Figurra 6. Circulacióón de la corrientte en Toff modoo buck. En esste caso la tensión t del inductor i serrá: (4) (5) El inncremento de d la corriennte en el induuctor es: (6) ~ 16 ~ Convertidorr Buck-Boosst de inductorres acoplado os para aplicaciiones fotovolltaicas 1 Memoria M desscriptiva Si el convertidoor opera de forma f estabble y Ton ess igual a Toff la energía a final de ciclo es igual a la eneergía del iniccio de ciclo Ton Toff T F Figura 7. Perioodo de la corrien nte del inductorr. (7) (8) (9) Sustiituyendo Toon = T·D y Toff T = T-T·D: (10) ( (11) ( (12) ( ~ 17 ~ Convertidorr Buck-Boosst de inductorres acoplado os para aplicaciiones fotovolltaicas 1 Memoria M desscriptiva 2.3.22 Boost elevvador. La tippología Booost es la enccarga de aum mentar la teensión de saalida respectto a la tensión de entraada. Figurra 8. Tipología Boost. Mod do ton pulsaador cerrad do Vout Vin Figura 9. Corrientte del inductor en e Ton modo booost. En esste caso la tensión t del inductor i serrá: (13) ( (14) ( El inncremento de d la corriennte del inducctor es: (15) ( ~ 18 ~ Convertidorr Buck-Boosst de inductorres acoplado os para aplicaciiones fotovolltaicas 1 Memoria M desscriptiva Mod do toff pulsaador abiertto Vinn Vout Figu ura 10. Corriennte del inductor en toff modo boost. b La teensión del innductor en este e caso seerá: (16) ( (17) ( Su inncremento de d la corriennte es: (18) ( Realiizando las mismas m connsideracionees que en el apartado annterior 2.3.11 buck. (19) ( (20) ( (21) ( Sustiituyendo Toon = T·D y Toff=T-T·D T D obtenemos: (22) ( (23) ( (24) ( (25) ( ~ 19 ~ Convertidorr Buck-Boosst de inductorres acoplado os para aplicaciiones fotovolltaicas 1 Memoria M desscriptiva 2.4 Control C PID D En el e circuito de d control se ve impllementado un u PI (conntrol proporrcional inteegral) mediiante un opperacional y un D (conntrol deriva ativo) utilizando otro ooperacionall, esta combbinación enn su conjuntoo forma un PID Contro ol proporcioonal integraal derivativo o. Por esta e razón es necesario explicar dee forma general la función del PID D1. Para explicar el control PID D separamoss 3 partes: 1 La parte proporcionnal se encarrga de multiiplicar la diferencia enttre la consigna y 1. el valor real r por unaa constante. (26) 2 La parte integral se encarga dee sumar los errores, y ofrece 2. o un valor para reeducir la diferenncia entre el e error y su consigna. (27) 3 La partee derivativaa es la enncargada dee añadir unna correcciión cuando 3. o hay variacionnes del error, de esta manera cu uando cambbia el errorr se adaptaa para corregir esta variaciión. D (28) Figura 11. Ejemplificación del d control PID 1 Debido a desviarsse del objetivoo del proyecto, realizamos una u breve expllicación genérrica del PIP siin entrarr en detalle. ~ 20 ~ 1 Memoria M desscriptiva Convertidorr Buck-Boosst de inductorres acoplado os para aplicaciiones fotovolltaicas 2.5 Baterias, carga utilizada El circuito ha sido diseñadoo para cargaar 3 bateríass plomo-Accido de 12 vvoltios, utilizadas mayooritariamentte en el secttor del automóvil. Estass baterías se s conectarran en seriee, siendo laa tensión reesultante laa suma de las 3 baterrías. Las baterías b en su s proceso de d carga si se encuentrran en buen estado su teensión esta sobre los 13,5 1 voltioos, por estee motivo, la l tensión de salida de nuestroo convertidor se encontrara rondaando los 400 voltios. Otro aspecto a tener en cuuenta, las baterías b tien nen distintaas etapas en su period do de cargaa. Primera etapa la fase bulk, absorbe más m corriennte y la ttensión aum menta considerrablemente. Segundaa etapa la faase de Absorrción, dond de la tensiónn es constannte y la corrriente se va redduciendo pooco a poco. Última etapa e fase dee flotación la l tensión see reduce unn poco. Para realizar unna carga idóónea de lass baterías deeberíamos tener t en cuuenta estas fases, f pero este probleema no es reelevante parra este proy yecto, cuya importancia reside en sacar el mááximo partido de los paaneles fotovvoltaicos. Figura 12. Batería plomo--acido 12 V. ~ 21 ~ 1 Memoria M desscriptiva Convertidorr Buck-Boosst de inductorres acoplado os para aplicaciiones fotovolltaicas 2.6 Necesidad del uso de un Convertidor En este apartado o vamos a describir d el razonamien r nto lógico dee la necesiddad de utilizzar un mportancia de poder funcionar conv vertidor, asíí como exp plicar la im f como elevad dor y reducctor. Figura 133. Curva V-I pan nel BP 585. 1 si conecttamos el pannel solar dirrectamente a una Com mo se puede observar enn la figura 13 na potencia aproximada de 58.8 W baterría de 12 vo oltios consegguiremos un W, línea azull. (29) ( n convertidor que ataque a lla entrada, modo Imag ginemos quee ahora intrroducimos nuestro m buckk, configurad do para manntener a la entrada e unaa tensión de 18 voltios y en la salid da los de la batería. Gracias a este conv vertidor coonseguiremoos una pottencia 12 voltios v aprox ximada de 85W. 8 (30) ( Al finalizzar el proyeccto y calcularr el rendimieento. Tenemoos un valor ddel 92%. La poten ncia final utillizando nuesttro convertid dor seria de: 78W Nota 1. Innformación reaal del rendimien nto de nuestro convertidor Graccias al uso de un con nvertidor obbtenemos unos u 25 vaatios más, potencia qu ue es impo ortante no desperdiciar.. ~ 22 ~ 1 Memoria descriptiva Convertidor Buck-Boost de inductores acoplados para aplicaciones fotovoltaicas Otro caso posible seria conectar 2 baterías en serie a la salida, de esta manera nuestra tensión sería de unos 24 voltios. Si conectáramos el panel fotovoltaico directamente observamos que la potencia, según la figura 13 sería de 0 W. En este caso utilizaríamos un convertidor boost que fuerce a la entrada a 18 voltios y en la salida los 24 voltios y de esta manera conseguimos los 85 W menos las perdidas. La importancia del convertidor se puede resumir a llevar al panel fotovoltaico a su funcionamiento óptimo, máxima potencia, esto se consigue al forzar el nivel de tensión de entrada, para ello utilizamos el convertidor capaz de funcionar como buck y como boost. En el caso de este proyecto la gráfica tensión-corriente sería un tanto distinta a la representada en la figura 13 ya que disponemos de 2 paneles fotovoltaicos en la entrada, aun así el concepto de la necesidad del uso del convertidor seria el mismo. Figura 14 Representación aproximada de la relación V-I de 2 paneles fotovoltaicos en serie. ~ 23 ~ 3 Circuito electrónico Convertidor Buck-Boost de inductores acoplados para aplicaciones fotovoltaicas 3 Circuito electrónico 3.1 Introducción. El circuito electrónico capaz de realizar los objetivos deseados se encuentra separado en 2 placas diferentes, la placa de potencia y la placa de control. Generalmente siempre se separa la parte de control de la parte de potencia, ya que la parte de potencia suele generar ruido y la parte de control genera señales de control a las cuales el ruido podría afectar negativamente. Separando las placas electrónicas, se consigue un circuito más entendible. La idea inicial donde se desarrolla este proyecto se encuentra en la publicación: [1] y en el proyecto teórico [2] fue adaptada para paneles fotovoltaicos. ~ 24 ~ Convertidor Buck-Boost de inductores acoplados para aplicaciones fotovoltaicas 3 Circuito electrónico 3.2 Funcionamiento del convertidor. Etapa de potencia Convertidor Buck/Boost Vout (Baterias) Panel fotovoltaico Corriente de control V I V control U1 Control D MPPT VRef Inversor Vref Control PI U2 Comparador con histéresis Etapa de control Figura 15. Representación de los Circuitos que intervienen. Este esquema nos muestra de forma general los diferentes elementos que intervienen en el funcionamiento del convertidor. Para poder ofrecer más claridad dividiremos 3 bloques. Los componentes externos, la etapa de potencia y etapa de control. ~ 25 ~ Convertidor Buck-Boost de inductores acoplados para aplicaciones fotovoltaicas 3 Circuito electrónico 3.2.1 Componentes externos Panel fotovoltaico MPPT Vout (Baterias) Figura 16 Representación de los componentes externos. Estos componentes externos no se encuentran integrados en las placas electrónicas. Diferenciamos, los paneles solar, las baterías y el PMMT (Maximum Power point Tranking, Punto de transferencia de máxima potencia). El panel solar fotovoltaico es el encargado de generar la tensión y la corriente de entrada, como sabemos consigue esto mediante la energía solar2. Las baterías3 se encuentran en la salida esperando a recibir la corriente necesaria para su carga, determinan la tensión de salida. El módulo PMMT4 no consta en este proyecto, Este módulo se encarga de generar la tensión de referencia, denominada consigna y calcular la potencia de entrada para cada consigna generada, con el objetivo de acercarse a la tensión que ofrezca la máxima potencia5, generalmente se utiliza un microcontrolador (pic). 2 Los conceptos básicos del panel fotovoltaico se encuentran explicados en el apartado 2.2 panel solar. Los conceptos básicos de las baterías se encuentran detalladas en el apartado 2.4 Baterías. 4 EL PMMT no consta en este proyecto pero es de carácter obligatorio comentar la función que debe desempeñar de forma general. 5 Aunque el objetivo de este módulo sea generar la consigna que ofrezca la máxima potencia, este proyecto “termina” con demostrar que el circuito es capaz de regular la tensión de entrada. 3 ~ 26 ~ 3 Circuito electrón nico Converrtidor Buck-B Boost de inducctores acoplados para aplicaaciones fotovo oltaicas 3.2.22 Etapa de potencia p La etapa e de pootencia estáá compuestaa por el co onvertidor buck/boost, b un filtrajee a la entraada y otro a la salida, el operacionnal encargad do de amplifficar el senssado de corrriente y el chip encarggado de convertir las señales de control a las señales qque atacan a los MOS SFETS Etapa de potencia. VP Pvp Convertid dor Buck/B Boost. Condensadorres de C enntrada, Senssor de coorriente. Condensaadores de salida Acond dicionamie ento señale es de conttrol. Ir2110. Placa de d Control Figuraa 17. Etapa de potencia. p F Figura 18. Placaa de potencia caara componentees. Figura 19. Placa de potencia cara soldadurass. ~ 27 ~ Vout. V 3 Circuito electrónico Convertidor Buck-Boost de inductores acoplados para aplicaciones fotovoltaicas 3.2.2.1 Convertidor buck/boost. El convertidor buck/boost se compone por el inductor, los inductores acoplados magnéticamente, los MOSFETS y los diodos Schottky. Para facilitar la explicación suponemos que la señal de control no necesita ser acondicionada para atacar a los a los MOSFETS, dejando aparte que existe el chip ir2110 con unas serie de componentes para este fin6. El problema de este convertidor es entender que ha sido diseñado para modificar la entrada demás de la salida como suele ser habitualmente, de todas maneras su explicación lógica es la misma que la elaborada al apartado 2.3 convertidor CC-CC. Otro dato impórtate es que el convertidor ha sido diseñado para funcionar a una frecuencia de 100 khercios. La ecuación matemática de nuestro convertidor viene demostrada en [2] y su explicación la podemos encontrar en [1]. (31) De esta ecuación sacamos: Modo buck: u1=0 y u2 señal cuadrada. 2 (32) Modo boost: u1señal cuadrada y u2 = 1. (33) 6 La explicación del acondicionamiento de las señales de control viene detallada en el apartado 3.2.2.3 Chip ir2110. ~ 28 ~ 3 Circuito electrón nico Converrtidor Buck-B Boost de inducctores acoplados para aplicaaciones fotovo oltaicas Mod do buck En ell modo Bucck la señal u1 u (boost) seerá un nivell bajo mienttras que la sseñal u2 (bu uck) será una señal cuuadrada cuyyo ciclo de trabajo t vendrá determiinado por laa señal de contrrol, en este modo m de fuuncionamiennto podemos decir que el MOSFET T de boost se compporta como un circuito abierto. Figura 20. Teensiones de interés modo buck.. Figura 21. Circuulación del corrriente modo bucck. Las líneas l rojas representann la corrientte en Ton y en Toff La línea verde reepresenta ell camino quue continuarra la corriennte en el moodo Ton. La línea azul reppresenta el camino c de la l corriente durante el tiempo t de T Toff. ~ 29 ~ 3 Circuito electrón nico Converrtidor Buck-B Boost de inducctores acoplados para aplicaaciones fotovo oltaicas Mod do boost En el e modo booost la señal u1 es cuaddrada mienttras que la señal s u2 se mantendráá a un nivell alto. En esste caso el mosfet m de buuck se comp portara com mo un circuitto cerrado Figura 22. Tennsiones de interrés modo boostt. (34) ( Figgura 23. Circullación de la corrriente modo booost. Las líneas l rojas representann la corrientte en Ton y en Toff La línea verde reepresenta ell camino quue continuarra la corriennte en el moodo Ton. Las líneas l azulees representaan el camino de la corrriente durannte el tiempoo de Toff . ~ 30 ~ 3 Circuito electrónico Convertidor Buck-Boost de inductores acoplados para aplicaciones fotovoltaicas 3.2.2.2 Modulo entrada operacional sensor de corriente y condensadores de entrada En este módulo de entrada hacemos referencia a los condensadores, la resistencia de sensado y el amplificador operacional. Los condensadores se encargan de evitar la componente triangular en los paneles solares, también determinan la corriente que circulara por la resistencia. (35) La resistencia de valor reducido, es capaz de observar de forma rápida una variación de la corriente, su valor es de 5 mΩ, está compuesta de 2 resistencias de 2,5 mΩ en serie. La tensión de la resistencia tiene una relación directa con la corriente que la atraviesa. Al tener un valor muy reducido es necesario un proceso de amplificación. 5 5 (36) (37) Como observamos la tensión Vs tiene una relación directa con la derivada de la tensión. Figura 24. Visualización de la corriente de entrada. ~ 31 ~ 3 Circuito electrónico Convertidor Buck-Boost de inductores acoplados para aplicaciones fotovoltaicas Este valor de tensión debe ser amplificado, para ello utilizamos un amplificador operacional. La obligación de colocar el operacional en la etapa de potencia, reside en la pequeña variación de tensión de la resistencia, esto produce que cualquier ruido por pequeño que sea afecte de manera cuantiosa. Por esta razón se debe evitar en cuanto sea posible la distancia de la resistencia de sensado y su primera ampliación. Figura 25. Operacional etapa de potencia Esquema del programa Psim. Figura 26. Operacional etapa de potencia distribución componentes mediante el Orcad. 44 (38) Como se observa en la figura 25 y 26 este operacional OP-LMP7717es un inversor de ganancia 44, unipolar7 diseñado para trabajar con bajas tensiones y de ruido reducido, ideal para este caso. 7 En el apartado 3.2.3.2 operacional tierra virtual se encuentra explicado la “tierra virtual de 2,5 voltios y la definición de unipolar. ~ 32 ~ 3 Circuito electrónico Convertidor Buck-Boost de inductores acoplados para aplicaciones fotovoltaicas 3.2.2.3 Chip ir 2110 Como se observa en la siguiente figura, este chip necesita dos alimentaciones, +5 V en Vdd y +15V en Vcc. El circuito recibe las señales u1 y u2 en Lin y Hin respectivamente, estas señales están comprendidas entre 0 y 5 voltios. El circuito se encarga de ofrecer en Ho y Lo la señales citadas anteriormente pero esta vez comprendidas entre 0 y 15voltios. Posteriormente tenemos un circuito de acondicionamiento final para cada mosfet comprendido po un zener y dos resistencias Figura 27. Conexionado del chip 2110. ~ 33 ~ 3 Circuito electrónico Convertidor Buck-Boost de inductores acoplados para aplicaciones fotovoltaicas 3.2.2.4 Condensadores de salida Los condensadores de salida sirven para evitar que la corriente triangular llegue a los componentes que tengamos a la salida. Si tenemos unas baterías a la salida no serían necesarios estos condensadores, ya que a las baterías no les afecta esta corriente, pero al ser un prototipo en algunas ocasiones puede ser de interés colocar una fuente de alimentación a la salida y esta puede romperse con la corriente triangular. ~ 34 ~ Converrtidor Buck-B Boost de inducctores acoplados para aplicaaciones fotovo oltaicas 3 Circuito electrón nico 3.2.22.5 Conectores etapa dee potencia Dadaa la compleejidad de seeguir las piistas del ciircuito es im mportante ddar a conoccer la distriibución de los l diferentees conectores. Los conectores c se utilizan para p intercoonectar, med diante cablees, la placa dde control con c la de pootencia. Figura 288. Conectores de d la placa de po otencia, figura orientativa. o Desccripción de los l conectorres: Los cables de color c negro se encuenttran intercon nectados enntre si y sirrven para unir u la masaa de la placaa de potenciia con la maasa de la plaaca de contrrol. Lila Tensión pannel fotovolttaico entradda Marrrón 2,5V Offfset tierra virtual. v Rojoo 5V Alimenntación operracional y chip c ir2110 Amaarrillo Max (Vo,Vin) Tensión de alimentación a n de la placaa control. S Será la tensión de mayoor nivel entrre la tensiónn de entradaa y de salidaa. Rojoo Vcin Salidda operacionnal. Naraanja Señal de d control u11 boost. Verdde señal de control c u2 buck. b Amaarillo 15V Alimentación A n chip 21100. U1, U2 U Señales de control. ~ 35 ~ Convertidor Buck-Boost de inductores acoplados para aplicaciones fotovoltaicas 3 Circuito electrónico 3.2.3 Etapa de control La etapa de control se pueden diferenciar lo siguientes circuitos: circuito de alimentación, operacional tierra virtual, lazo de tensión PI, lazo de corriente, operacional inversor ajuste de la frecuencia y el comparador con histéresis 556. Control PI Control D Tierra virtual Circuito alimentación Inversor Comparador con histéresis Etapa de control Figura 29. Módulos etapa de control. Realizaremos una explicación detalla de cada uno de los circuitos que completan la etapa de control. Figura 30. Placa de control cara componentes. Figura 31. Placa de control cara soldaduras. ~ 36 ~ 3 Circuito electrón nico Converrtidor Buck-B Boost de inducctores acoplados para aplicaaciones fotovo oltaicas 3.2.33.1 Alimentaación Vin / Vout Figura 32. Circuito de aliimentación. Este circuito se encarga dee conseguir la alimentaación de +115 voltios ppara alimen ntar el chip ir2110 y laa alimentacción de +5 voltios v utiliizados en toodos los opperacionaless y el chip.. Mediiante 2 dioddos conectaddos por su terminal t possitivo y el otro o terminaal, uno coneectado a la entrada e y ell otro a la saalida, conseeguimos quee en este puunto intermeedio obteng gamos 8 la tennsión de maayor nivel como podem mos observaar en la figurra 29 . Figura 33. Ejemplificación dee la conexión paara obtener la tensión t deseadaa. La obligación de d realizar el e circuito de d alimentacción de la figura fi 32, vviene dada por p la 9 ble funcionaamiento bucck/boost . variaación de tennsión de nueestro circuitoo y su posib Graccias a este ciircuito nuesstro diseño acepta a un raango de tensión comprendido desd de los 20 voltios v hastaa los 50 vooltios, sienddo esta tenssión provenniente de la entrada o de la salidda. 8 La disposición d de estos diodos se encuentra en e el apartado o 7 planos elécctricos etapa de potencia realizado por el proograma orcad. 9 El motivo m de estass variaciones de tensión vieene dado que nuestro n conveertidor busca eel PMP y al seer panelees situados al exterior este puede p variar bastante, b siend do necesario un u amplio ranggo de tension. ~ 37 ~ 3 Circuito electrónico Convertidor Buck-Boost de inductores acoplados para aplicaciones fotovoltaicas 3.2.3.2 Operacional tierra virtual El primer amplificador operacional se puede separar del resto, ya que este se encarga de generar la tensión de 2,5 voltios utilizada como tierra virtual. Figura 34. Operacional tierra virtual (PSIM) Se realiza mediante un operacional (TLC2272) y no un simple divisor de tensión para evitar problemas no deseados. Como sabemos el amplificador operacional tiene una impedancia muy elevada, aislando la tensión de los 5 voltios con la tensión de salida de 2,5 voltios. Esta tensión es importante, se encarga de generar una “tierra virtual” los operacionales son unipolares cuyas tensiones están comprendidas entre 0 y 5 voltios, gracias a esta tensión “tierra virtual” definimos 2,5 como punto medio, 0 mínimo y 5 máximo. ~ 38 ~ 3 Circuito electrónico Convertidor Buck-Boost de inductores acoplados para aplicaciones fotovoltaicas 3.2.3.3 Operacional lazo de tensión PI La función principal del operacional (TLC2272) es realizar un control proporcional integral de la diferencia entre la tensión del panel fotovoltaico y la tensión de referencia, el resultado de esta diferencia es el error. El operacional mediante el divisor resistivo, reduce la tensión de interés para que los valores estén comprendidos entre 0 y 5 voltios Figura 35. Operacional lazo de tensión. Este diseño se encuentra demostrado matemáticamente y mediante simulaciones en el proyecto: [2]. ~ 39 ~ 3 Circuito electrónico Convertidor Buck-Boost de inductores acoplados para aplicaciones fotovoltaicas 3.2.3.4 Operacional Lazo de corriente El segundo operacional (TLC2272) realiza la diferencia de la tensión triangular de control, proveniente de la etapa de potencia, con la tensión resultante del primer operacional. 2 (39) La tensión Vcin es la derivada de la corriente iL de entrada por este motivo este operacional ofrece un control derivativo. VA Vox Figura 36. Operacional lazo de corriente. ~ 40 ~ Converrtidor Buck-B Boost de inducctores acoplados para aplicaaciones fotovo oltaicas 3 Circuito electrón nico 3.2.33.5 Operacioonal ajuste señal triang gular mos en la figura 33 es uun amplificador El úlltimo operaccional (TLC C2272), com mo observam g uttilizando unn potencióm metro variablle. inverrsor, con poosibilidad dee ajustar la ganancia Vox Figura 377. Operacional ajuste a señal. (40) ( Com mo observam mos en la figgura 37 modificando laa ganancia cconseguimoos hacer quee el operaacional mod difique la peendiente de salida. G= =1 OFF ON G=2 Vmax x ON N OFF F Vmin T2 T T1 Fiigura 38. Afecttación de la gan nancia en la seññal. ~ 41 ~ 3 Circuito electrón nico Converrtidor Buck-B Boost de inducctores acoplados para aplicaaciones fotovo oltaicas 3.2.33.6 Disposicción de los operacional o les La im mportancia de este aparrtado, vienee dada por laa complejiddad a la horaa de seguir las l pistaas de la placa de control, gracias a estas expliccaciones cuaalquier usuaario será cap paz de diistinguir loss diferentes operacionalles y las differentes señales de la placa de con ntrol. Figura 39. Enccapsulado de lo os operacionaless Los operacional o les lazo de tensión t y lazzo de corrieente respectiivamente. S Se encuentraan situaados en el mismo m encappsulado. mo podemos observar enn la figura 40 4 el operaccional lazo de tensión ees el primerro y Com el lazzo de corrieente es el seggundo. Figura 40. Diisposición operaacionales 2 y 3.. ~ 42 ~ 3 Circuito electrón nico Converrtidor Buck-B Boost de inducctores acoplados para aplicaaciones fotovo oltaicas Los operacional o les alimentaación virtuall y ajuste dee la frecuencia, formann parte de un n mism mo encapsullado. En esste caso el operacional o ajuste de laa frecuenciaa” es el prim mer del encaapsulado mienntras que el operacionall “tierra virttual” es el segundo. s Figura 41. Diisposición operaacionales 1 y 4.. ~ 43 ~ 3 Circuito electrónico Convertidor Buck-Boost de inductores acoplados para aplicaciones fotovoltaicas 3.2.3.7 Comparador con histéresis 556 Este circuito integrado es el encargado de interpretar la señal triangular y generar las diferentes señales de control. Observamos que son dos operacionales que actúan como comparadores, de tal manera que si la tensión se encuentra por debajo de 1/3 de VCC (1,6 V) realiza un set y si esta es superior a 2/3 de Vcc (3,3 V) realiza un reset. Señal triangular Figura 42. Simulación 556. La histéresis se refiere a cuando se produce un reset o un set para volver a modificar su estado, la tensión debe cambiar un cierto nivel, en este caso 1,7 voltios por esta razón la triangular S_buck respecto de la señal S se encuentra 1,8 voltios desplazada, así evitamos la posibilidad de funcionar de los dos modos simultáneamente. ~ 44 ~ 3 Circuito electrón nico Converrtidor Buck-B Boost de inducctores acoplados para aplicaaciones fotovo oltaicas Figura 43 Señal S triangularr modo boost. La seeñal S repreesentada en rojo es la que q genera la señal cuaddrada u1, coomo observ vamos sobreepasa los 3,3 V reset y es infferior a 1,6 6 set. Mienntras que lla señal S_ _buck repreesentada en azul nuncaa supera loss 3,3 voltioss esto la maantiene en nnivel alto ya que nuncca se producce el reset. Figura 44. Señal S triangularr modo buck. En este e caso la señal S sieempre es suuperior a 1,6 Voltios por p este mootivo siemp pre se encontrara en reeset. Mientrras que la señal S_buck Supera loos 3,3 voltioos y es inferior a g laa señal cuaddrada en u2. 1,6 generando ~ 45 ~ Convertidor Buck-Boost de inductores acoplados para aplicaciones fotovoltaicas 3 Circuito electrónico 3.2.3.8 Conectores etapa de control Dada la complejidad de seguir las pistas del circuito es importante dar a conocer la distribución de los diferentes conectores. Los conectores se utilizan para interconectar, mediante cables, la placa de control con la de potencia. Figura 45. Conectores Placa de control, figura orientativa. Descripción de los conectores: Los cables de color negro se encuentran interconectados entre si y sirven para unir la masa de la placa de potencia con la masa de la placa de control. Lila Tensión panel fotovoltaico entrada Marrón 2,5V Offset tierra virtual. Rojo 5V Alimentación operacional y chip ir2110 Amarrillo Max (Vo,Vin) Tensión de alimentación de la placa control. Será la tensión de mayor nivel entre la tensión de entrada y de salida. Rojo Vcin Salida operacional. Naranja Señal de control u1 boost. Verde señal de control u2 buck. Amarillo 15V Alimentación chip 2110. U1, U2 Señales de control. ~ 46 ~ 4 Simulaciones PSIM Convertidor Buck-Boost de inductores acoplados para aplicaciones fotovoltaicas 4 Simulaciones PSIM 4.1 Introducción Las simulaciones son de gran ayuda para realizar diseños y comprobar distintos cambios en un circuito. De forma rápida las simulaciones nos dan conocimiento de las variaciones que sufre un determinado circuito al cambio en el valor de los componentes. En el proyecto inicial [2], del cual parte este proyecto, se realizaron serias simulaciones. En este proyecto al ser práctico no han sido de tanto interés, pero igualmente son necesarias para terminar de explicar el comportamiento del circuito y para solucionar diferentes errores que han apareció. ~ 47 ~ 4 Simulaciones PSIM Convertidor Buck-Boost de inductores acoplados para aplicaciones fotovoltaicas 4.2 Simulación solo potencia El primer objetivo del proyecto, reparar la placa de potencia, surgieron diversos problemas e inicialmente no tenía los conocimientos necesarios para resolverlos. Por esta razón, se realizó una simulación solamente de la parte de potencia reduciendo la complejidad del circuito y facilitando la comprensión del mismo. Además esta simulación ha sido significativa a mejorar los conocimientos del programa PSIM Figura 46. Simulación solo potencia Psim ~ 48 ~ 4 Simulaciones PSIM Convertidor Buck-Boost de inductores acoplados para aplicaciones fotovoltaicas 4.3 Simulación sobre tensión Se ha diseñado un circuito capaz de evitar un problema en la etapa de potencia. Este problema reside en el chip 211010 que si no se inicializa correctamente causa una ruptura por sobre tensión en el MOSFET de boost. Figura 47. Solución sobretensión. Este diseño no se ha llevado a la práctica ya que con un simple protocolo de arranque evitamos el problema. Este diseño evitaría que fuera necesario el protocolo de arranque pero se desviaba del objetivo principal del proyecto. La medida final ha sido cambiar el driver ir2110 por el HIP8041, sin necesidad de usar un circuito extra. 10 El problema del chip 2110 viene detallado en el apartado 5.2.3 Problemas encontrados. ~ 49 ~ Convertiddor Buck-Bo oost de inducctores acoplaados para aplicaciones foto ovoltaicas 4 Simullaciones PSIIM 4.4 Sim mulación bu uck/boost El esqueema de estaa simulaciónn se encuenntra en el apartado 7 plaanos eléctriccos, ha sido o de gran ayuda ya y que se ha h utilizadoo para entennder el circcuito en su conjunto y analizar todas t las señales del mismo obteniendo el conocim miento de la función de cada una. M de opeeración bucck/boost. 4.4.1 Caambio de Modo Las prueebas del cambbio de modoo de operacióón solamente se han realizzado mediannte las simulaaciones PSIM. mprobar estos cambios dee funcionamiiento hemos colocado unna tensión de 20 voltios en e la Para com salida y 18 voltios enn la entrada sumándole s u señal cuaadrada de 4 voltios una v a 500 hercios, consiguiiendo: A nivel alto, “4 voltios” obtenemos o 2 voltios a la 22 l entrada, trrabajando en modo reducctor buck. A nivel bajo “0 voltios” obtenemos o 1 voltios a laa entrada, traabajando en m 18 modo reducttor boost. Figura 48. Cambioo de buck a boo ost 4 voltios (Pssim). Figura 49. Cambioo de boost a buck 4 voltios (Pssim). ~ 50 ~ 5 Laboratorio Convertidor Buck-Boost de inductores acoplados para aplicaciones fotovoltaicas 5 Laboratorio 5.1 Introducción. Al ser un proyecto práctico podemos decir que es el apartado es de mayor importancia. Estas páginas ofrecen el modo de operación que se ha llevado a cabo para cumplir cada uno de los principales objetivos de este proyecto. Hemos diferenciado los siguientes puntos: La reparación de la placa de potencia. Montaje y comprobación de la placa de control. Pruebas de funcionamiento. Rendimiento del convertidor. ~ 51 ~ 5 Laboratorio Convertidor Buck-Boost de inductores acoplados para aplicaciones fotovoltaicas 5.2 Reparación placa de potencia. Como ya se ha comentado este proyecto parte desde una placa de potencia terminada pero incapaz de funcionar correctamente. Para poder reparar esta placa es necesario realizar un estudio sobre ella. Se debe conocer cada componente, su situación, su función y la distribución de todas las pistas, siendo necesario conocer a la perfección la placa de potencia en su conjunto. Por este motivo es necesario dividir la reparación de la placa de potencia con los diferentes puntos que veremos a continuación. ~ 52 ~ 5 Laboratorio Convertidor Buck-Boost de inductores acoplados para aplicaciones fotovoltaicas 5.2.1 Pasos previos. Inicialmente para proceder a la reparación de la placa de potencia, ha sido necesario, realizar las simulaciones, estudiar y comprender el circuito. Una vez adquiridos estos conocimientos mínimos, se procede a realizar las conexiones oportunas para las diferentes pruebas. Los conocimientos adquiridos son los que ha permitido la redacción del proyecto11. 5.2.2 Equipos necesarios. Para llevar a cabo las pruebas de comprobación los equipos necesarios son: 1. 2 Fuentes de tensión, capaces de suministrar diferentes valores, 2,5 V ,5 V, 15 V y alimentación entrada (inicialmente para probar el circuito no es necesario probar la corriente de funcionamiento normal 5A). 2. Generador de funciones, Señal cuadrada 100 khz.(posteriormente esta tarea se encargara la placa de control) 3. Tester medir tensiones. 4. Osciloscopio medir corrientes, tensiones y guardar resultados. 5. Resistencia de carga en la salida. 11 En el apartado 2 Memoria descriptiva se encuentra todos los conceptos teóricos descritos de forma general y en el apartado 3 Circuito electrónico se encuentra la teoría aplicada a nuestro circuito. ~ 53 ~ 5 Laboratorio Convertidor Buck-Boost de inductores acoplados para aplicaciones fotovoltaicas 5.2.2 Pruebas a realizar Se diferencia dos tipos de conexiones. La tipología boost, elevadora y la tipología buck, reductora. Las mediciones de interés para evaluar el funcionamiento de la placa de potencia son: 1.1 Comprobar alimentaciones. 1.2 Verificar señales de salida chip (ir2110). 2 Observar corriente entrada 3 Observar corriente de salida 4 Tensión de salida 5 Tensión operacional sensor de corriente El primer punto 1.1 y 1.2 son de comprobación y sirve para garantizar la correcta conexión de la placa antes de someterla a la tensión, de esta manera aseguramos que todo está en orden antes de añadir la tensión del “panel fotovoltaico12”. 12 Este modo de proceder solo es de interés para el modo práctico, ya que el circuito ha sido diseñado para mantenerse con la energía generada por el panel fotovoltaico o las baterías. ~ 54 ~ 5 Laboratorio Convertidor Buck-Boost de inductores acoplados para aplicaciones fotovoltaicas 5.2.3 Errores encontrados En el punto 1.2 verificar señales de salida en la tipología boost, aparece el primer problema. El chip ir2110, si las señales de control llegan antes que las alimentaciones, esté se bloquea, impidiendo la funcionalidad del circuito. Esto nos obliga a realizar un protocolo de arranque, ya que si este chip no ofrece la señal correspondiente a los mosfets puede provocar averías. Una vez realizado el arranque correcto se procede a evaluar el funcionamiento. Los problemas que han aparecido tanto en la tipología boost como buck son: La corriente de entrada es discontinua a frecuencias inferiores de 300 kHz. La corriente de salida no es de forma triangular. No se puede apreciar la señal triangular en la salida del operacional. En la resistencia de sensado se aprecia la señal triangular con demasiada amplitud. 5.2.4 Soluciones implementadas. Para dar soluciones a los problemas que han aparecido, se optó por separar cada problema de forma independiente y realizar un estudio de las posibles causas y las diferentes soluciones que se podrían llevar a cabo. Aunque a simple vista parecen pocos y sencillos, cada uno de ellos ha ocasionado un esfuerzo de carácter intelectual, ya que han obligado a repasar conceptos teóricos adquiridos durante la carrera y pensar las diferentes posibilidades que provocaban los errores. El personal del laboratorio y el director del proyecto han ayudado a resolver estos problemas, es necesario agradecerles todo su apoyo ofrecido. ~ 55 ~ 5 Laboratorio Convertidor Buck-Boost de inductores acoplados para aplicaciones fotovoltaicas 5.2.3.1 Chip ir 2110 La inicialización del chip ir2110 se realiza de forma incorrecta cuando la señal + 5 voltios de control llega a la vez o antes que las alimentaciones. El chip se bloquea impidiendo que el MOSFET de buck se comporte como un circuito cerrado ocasionado la ruptura de este por sobretensión. C3 C1 C2 Figura 50. Conexionado ir2110 problema inicialización. El problema viene dado con la alimentación de +15 voltios, En VB necesitamos 15 voltios positivos, para conseguir esta alimentación observamos 2 caminos distintos. 1. Condensadores, entre Vcc y tierra se encuentra C1 pasando por el D11 nos encontramos con el condensador C3. 2. TRACO1515, entre la patilla de entrada y tierra se encuentra C2 y pasando por el D10 encontramos el C3, este componente su función es ofrecer 15 voltios a la salida cuando en su entrada tenga 15 voltios. La solución inicial era realizar un reset en la alimentación y al tener la alimentación en VB el circuito era capaz de inicializarse. Por esta razón se realiza un protocolo de arranque, ya que si no inicializamos correctamente el MOSFET de buck puede sufrir una rotura por sobretensión13. 13 Este problema se detectó rápidamente pero se rompieron 3 MOSFETS y por su situación son muy complicados de sustituir, se optó por cortar las patillas y soldar sobre ellas. ~ 56 ~ 5 Laborratorio Connvertidor Buuck-Boost dee inductores acoplados a paara aplicacionnes fotovoltaaicas Figura 51. Convertidor buck/boost b caussa de la avería chip c ir 2110 Imagineemos que configuramoos el modo boost, conffiguración elevadora, e ppero la señal u2 no genera los l 15 voltios para ataccar al MOSF SFET Q2 en ntonces la coorriente seriia como la indicada en la figgura 53 sobrrecargando el condensaador y el MOSFET M Q1 posiblemennte sufriría la rotura por sobrretensión. m buck No N tenemos este probleema porque el MOSFE ET Q1, como hemos visto en el En el modo apartadoo 3.2.2 etappa de potenncia, se com mporta com mo un circuiito abierto, es decir u1 1 a nivel bajo. ~ 57 ~ 5 Laboratorio Convertidor Buck-Boost de inductores acoplados para aplicaciones fotovoltaicas Pasos a seguir para asegurar la correcta inicialización, protocolo de arranque durante las pruebas14. 1 Subministrar alimentación +2,5 V, + 5 V y + 15 V (ir2110 y operacional). 2 Comprobar alimentaciones. 3 Según configuración elegir 3.1 o 3.2 modo de funcionamiento. 3.1 Boost elevador Señal TTL 100 kHz dc 50 % u1 Señal “1” 5 voltios u2. Comprobar Señal Cuadrada 15 V. Comprobar + 15 V MOSFET Cerrado. (Critico) Si la tensión no aparece realizar reset a la tensión de 5 voltios u1. 3.2 Buck reductor Señal “0” 0 V u1. Señal TTL 100 kHz dc 50 % u2. Comprobar Señal Cuadrada 15 V. En este caso la señal de tensión se suma a la tensión de salida, por el punto donde se encuentra el MOSFET. 4 Activar alimentación “panel fotovoltaico”. 5 comprobar señal triangular entrada. Otra solución que se ha estudiado pero no ha sido llevado a la práctica, ya que con el protocolo de arranque evitamos el problema y se desviaba del objetivo principal de este proyecto. Ha sido mediante el chip 556, realizar un control que realice un reset, cuando la tensión en bornes del MOSFET Boost supere los 60 voltios, asegurado así la imposibilidad que ocurra la avería por sobretensión15. Otra posibilidad es la sustitución del chip ir2110, por el Hip408, la versión 2.0 contara con este chip utilizado actualmente en el laboratorio. 14 La disposición de los conectores se encuentra detallada en el apartado 3.2.2.4 Conectores etapa de potencia. 15 El Diseño de este circuito mediante el programa PSIM se encuentra en el apartado 4.4 Simulación sobretensión ~ 58 ~ 5 Laboratorio Convertidor Buck-Boost de inductores acoplados para aplicaciones fotovoltaicas 5.2.3.2Corriente discontinua, carga idónea. El problema de la señal discontinua venia provocado por la incorrecta elección de la resistencia de carga. En la siguiente ecuación determina que valores debe tener la carga dependiendo de la tensión de salida y tensión de entrada deseadas (41) (42) Boost Vou=Vin/1‐DC Buck Vout=Vin∙D Vin (V) 10 20 20 40 Iin( A) 1 2 1 2 DC en % 50 60 50 25 Vout (V) 20 50 10 10 Iout (A) 0,5 0,8 2 8 RL (Ω) 40 62,5 5 1,25 Tabla 2. Calculo del resistor correcto. Esta tabla realizada mediante el programa Excel, calcula de forma automática el valor idóneo de la resistencia, introducimos los valores de tensión de entrada, corriente y el ciclo de trabajo. Una vez colocada una resistencia idónea la señal era la esperada. ~ 59 ~ 5 Laboratorio Convertidor Buck-Boost de inductores acoplados para aplicaciones fotovoltaicas 5.2.3.3 Corriente de salida no triangular. Ha sido el problema más complicado de solucionar. Figura 52. Corriente de salida con distintos valores. Las posibles causas de error al analizar este problema son: Medir entre condensadores. Lugar de medida erróneo. Inductor acoplado magnéticamente con un efecto condensador, mal estado. Después de revisar las posibles causas se optó por realizar el montaje del inductor acoplado magnéticamente de nuevo, al observar que el problema persistía se descartó el inductor acoplado, ya que es poco probable que 2 inductores distintos montados por diferentes personas obtengan el mismo error. Finalmente el problema venia dado por unos condensadores SMD conectados a un lado de la pista, imposibles de ver a simple vista por culpa del radiador de los Mosfets. Una vez retirados y colocados en un punto posterior al de medida, la señal de salida era triangular. ~ 60 ~ 5 Laborratorio Connvertidor Buuck-Boost dee inductores acoplados a paara aplicacionnes fotovoltaaicas Figura 53. Corriente de d salida. El motivvo que residdían estos condensadorres cerca dee la entrada, era la neceesidad de ev vitar ruidos lo antes posiible, ademáás la corriennte de salidaa no es de innterés ya que nuestro convertiidor regula la tensión de d entrada. F Figura 54. Placca de potencia vista v desde abajjo Los conndensadoress causantes de d no permitir visualizzar la corriennte de salidaa se encontrraban en el círcullo de la figuura, y el punnto de medida se encueentra en la flecha. fl La solucción fue collocar los condensadorees en el recu uadro16. 16 Al finaal los condensaadores se han colocado en el e punto iniciaal ya que la coorriente de saliida no es de in nterés y en el círculo ofrecen unna mejora en la l señal Vc reesistencia de seensado. ~ 61 ~ 5 Laboratorio Convertidor Buck-Boost de inductores acoplados para aplicaciones fotovoltaicas 5.2.3.4 operacional sensor de corriente. Figura 55. Salida operacional errónea. El operacional encargado de amplificar la tensión de la resistencia no daba la señal esperada. La investigación del problema reunió las siguientes incoherencias respecto al diseño17. 1. Resistencia de sensado de 50 mΩ demás de ser de 5 mΩ, ocasionando que la señal triangular se pueda apreciar sin necesidad de utilizar el amplificador, y este operacional saturando la señal al tener un valor 10 veces superior, al diseñado. 2. Una patilla del condensador estaba a tierra y debía estar a 2,5 voltios. Esta tensión es la encargada de añadir un offset al señal triangular para que siempre sea positivo. 3. Un condensador causante de un filtro impidiendo el paso de la señal triangular. 4. Una resistencia del divisor de tensión errónea, ocasionando 2 voltios fijos a la entrada del operacional, saturando la salida ya que la ganancia es de 40. 17 En el apartado 3.2.2.2 Módulo de entrada operacional se encuentra detallada la forma de operar del operacional y su correcto diseño. ~ 62 ~ 5 Laboratorio Convertidor Buck-Boost de inductores acoplados para aplicaciones fotovoltaicas Una vez solucionadas estas incoherencias la señal del operacional ya era la esperada, como podemos observar en las siguientes figuras. Figura 56. Salida del operacional, Vcin (imprimida). Figura 57. Salida del operacional Vcin (Foto). ~ 63 ~ 5 Laboratorio Convertidor Buck-Boost de inductores acoplados para aplicaciones fotovoltaicas 5.3 Montaje de la placa de control. 5.3.1 Pasos a seguir. Existen infinidad de maneras para atacar el montaje de una placa, en el caso del proyecto dispongo de la información teórica, las pistas (layout) y los componentes electrónicos. Pasos a seguir para llevar a cabo el montaje: Estudio de la disposición de los componentes Comprobación de los componentes físicos. Colocar componentes por tamaño. SMD Resistencias Zócalos Condensadores Transistores/ reguladores/ leds Comprobación de pistas/ seguimiento de componentes. 5.3.2 Errores en el montaje de la Placa de control. Durante el montaje han surgido diversas incoherencias entre el diseño del layout, palca física y la simulación. La elección ha sido seguir paso a paso la simulación y solucionar los errores adaptándolo en el esquema. 5.3.2.1 Reguladores. Los reguladores tienen la tierra en medio y en el diseño se eligió como un transistor emisor base colector. Ocasionando que la colocación de estos fuera distinta. La solución a este error fue doblar las patillas y ponerlas en el orden correcto, para que coincidiera cada patilla a su correspondiente pista. ~ 64 ~ 5 Laboratorio Convertidor Buck-Boost de inductores acoplados para aplicaciones fotovoltaicas 5.3.1.2 Potenciómetros. Los potenciómetros en el diseño se optaron por unos SMD y en el laboratorio no tenemos potenciómetros SMD con estos valores de resistencia. La solución fue introducir unos potenciómetros normales doblando sus patillas y colocados de forma correcta, un punto a un terminal y el punto intermedio interconectado al otro terminal, de esta manera cortocircuitamos una parte del terminal consiguiendo que su valor de resistencia este comprendido entre la resistencia media y la máxima. Figura 58. Representación grafica de un potenciómetro 5.3.1.4 zócalo. El problema del zócalo viene dado por las pistas de la placa de control, al haber pistas por las dos caras, si colocamos el zócalo y soldamos todos los pines, se quedan un par sin conexión ya que sus pistas se encuentran arriba imposibilitando la soldadura por el propio zócalo. La solución ha sido quitar el zócalo, pasar unas vías uniendo la pista de arriba con la de abajo y volver a soldar el zócalo. ~ 65 ~ 5 Laboratorio Convertidor Buck-Boost de inductores acoplados para aplicaciones fotovoltaicas 5.3.1.5 Divisor de tensión primer operacional. En el diseño, el divisor de tensión del primer operacional se realizó como se observa en la figura tal, la colocación correcta de los componentes la podemos ver en la figura 56. Otro punto detectado durante las pruebas finales fue un pico de corriente, se decidió aumentar el valor del condensador para atenuar la rampa de la consigna. Figura 59. Diseño divisor de tensión, erróneo. Figura 60. Divisor de tensión correcto. Este problema se solucionó colocando un cable conductor en lugar de la resistencia de 22kΩ, aumentando el valor del condensador y colocando una patilla de la resistencia de 4,7KΩ a tierra. ~ 66 ~ 5 Laboratorio Convertidor Buck-Boost de inductores acoplados para aplicaciones fotovoltaicas 5.3.3 Comprobación de la placa de control, alimentación. El circuito de la placa de control, alimentación es el encargado de subministrar las tensiones de +15 V, 5V y 2,5V utilizando la señal de entrada o salida de mayor nivel, proveniente de la placa de potencia18. Una vez realizada esta prueba se comprobó que a todos los operacionales, incluido el residente en la etapa de control recibían en cada patilla su correcta alimentación. También se comprobó la alimentación de +15voltios del chip ir 2110. Esta prueba nos permite afirmar que el circuito de alimentación funciona perfectamente y es capaz de subministrar a todos los componentes que necesitan estas tensiones. 18 La explicación detallada sobre estas alimentaciones se encuentra detallada en el apartado 3.2.3 Etapa de control. ~ 67 ~ 5 Laboratorio Convertidor Buck-Boost de inductores acoplados para aplicaciones fotovoltaicas 5.4 Pruebas de funcionamiento. Una vez terminado el montaje de la placa de control y la reparación de la parte de potencia, nos disponemos a probar el convertidor conjuntamente. Estas pruebas nos determinaran el correcto funcionamiento del convertidor. La finalidad de estas pruebas reside en poder anunciar que el convertidor tiene total funcionalidad en realizar todas las tareas para la cual ha sido diseñado. Demostrando que será capaz de regular su tensión de entrada. ~ 68 ~ 5 Laboratorio Convertidor Buck-Boost de inductores acoplados para aplicaciones fotovoltaicas 5.4.1 Etapa de potencia. Las pruebas de funcionamiento se realizaron utilizando el circuito de alimentación proveniente de la placa de control, de esta manera, alimentando la placa de control conseguimos las tensiones de +15 V, +5 V y +2,5 V. La prueba de la placa de potencia consiste en comprobar los distintos modos de funcionamiento visualizando las diferentes señales de interés. En el apartado cálculo del rendimiento19 Se realizaron todas las combinaciones posibles de funcionamiento por esa razón en este apartado solo expresaremos una prueba con cada modo de operación, buck y boost. Esta prueba no es de carácter obligatorio ya que con las reparaciones realizadas sabemos que nuestro circuito cumple con su cometido. La prueba se realiza en lazo abierto, utilizando una señal PWM externa, sin utilizar los elementos de la placa de control 19 El cálculo del rendimiento se encuentra detallado en el apartado 5.5 Rendimiento del convertidor ~ 69 ~ 5 Laboratorio Convertidor Buck-Boost de inductores acoplados para aplicaciones fotovoltaicas 5.4.1.1 Prueba del funcionamiento modo Buck Configuramos una tensión de entrada de 30 voltios obteniendo 15 voltios en la salida. La tensión de entrada viene indicada por la fuente de alimentación y la tensión de salida se visualiza por la carga activa En esta tipología la tensión que observamos en el MOSFET es la tensión intermedia más los 15 voltios de alimentación. Figura 61. Señal cuadrada Buck. En la siguiente figura observamos la salida del operacional, esta señal denominada Vcin posteriormente será utilizada en la placa de control. Figura 62. Señal Vcin Buck ~ 70 ~ 5 Laboratorio Convertidor Buck-Boost de inductores acoplados para aplicaciones fotovoltaicas 5.4.1.2 Prueba de funcionamiento modo Boost: En este modo la fuente indica 15 voltios mientras que la carga activa introducimos 30 voltios. En esta figura observamos la señal que ataca al mosfet y la corriente de entrada Figura 63. Señal cuadrada, Boost. Figura 64. Señal Vcin, Boost. ~ 71 ~ 5 Laborratorio Connvertidor Buuck-Boost dee inductores acoplados a paara aplicacionnes fotovoltaaicas 5.4.1.3 Comprobacción del connvertidor reggulación ten nsión de enntrada lazo aabierto. Se pretende probaar el objetivvo principaal del conv vertidor, forrzar la entrrada a un nivel n de tensión,, independieentemente de d la tensiónn entregada,, en lazo abierto. Para llevvar a cabo esta e importaante comproobación, es necesario: L prueba se La s realizó enn el modo boost C Colocar a laa salida unaa carga activva en modo tensión. C Colocar a laa entrada unna resistenciia de 1 Ω en n serie con la l alimentacción del circcuito. I Introducir u carga acctiva en paraalelo a la en una ntrada en modo corriennte. Carga activa I Carga activa V Figura 65. 6 Prueba física del objetivo principal p del connvertidor. Para dem mostrar su eficiencia se s realiza unna tabla con n diferentes valores de tensión de entrada, configuurando la sallida con 36 voltios meediante la caarga activa y se pretendde forzar 18 8 voltios a la entrrada mediannte una conffiguración modo m Boostt 50%. 23V 20V 24V Vent Vse erie (V) (V V) 22,88 3,8 89 22,88 3,,9 20 1,8 87 19,9 1,,5 24 4,6 63 23,88 4,6 69 Icarga Vin Iin (A) (A (V) A) 18,99 3,75 0 18,98 3,81 1 18,13 1,83 0 18,4 2,53 1 19,37 4,53 0 19,19 4,6 1 Pin (W) 71,21 53,33 33,18 28,15 87,75 69,08 Vout (V) 35,99 35,99 35,99 35,99 35,99 35,99 Io out (A A) 1 1,7 1,,39 0,,73 0,,68 2 2,1 1,,79 Pout (W) 61,18 50,03 26,27 24,47 75,58 64,42 Tab bla 3. Demostraación regulación n tensión de enttrada. Después de haber realizado r esstas pruebass podemos decir d que ell convertidoor realiza su u función de reguular el niveel de tensióón de entraada. Este ap partado noss sirve paraa demostrarr que el convertiidor intentaa cumplir siempre s la relación r en ntre la entraada y la salida obtenid da de la ecuación en modo boost: (12) ( ~ 72 ~ 5 Laborratorio Connvertidor Buuck-Boost dee inductores acoplados a paara aplicacionnes fotovoltaaicas 5.4.3 Laazo de corriiente pruebba placa de control circcuito abiertto. Para poder probar una u parte dee la placa de d control in ntroducimoss una corriennte de referrencia en el operaacional lazo de corrientte, descartanndo de mom mento el lazo de tensiónn. De estaa manera conseguimos c s obtener la l señal S encargada de atacar al 555 y podemos p 20 comprobar el operaacional ajusste de frecueencia. Figura 66. Prueba del lazo o de control. Para exxpresar esta prueba distinguirem d mos el mo odo de funncionamientto buck deel modo funcionnamiento boost. El objettivo de esta prueba es visualizar v laas diferentess señales dee control U11 y U2 que atacaran a la placca de potenccia en lazo cerrado. c 20 Esta prrueba no es dee carácter “reaal”, sirve para probar el chip p 556 y los potenciómetros de ajuste. Esto se debe a introduccir directamennte la salida deel operacionall lazo de tensiión, además laas señales de ccontrol no ataccan a los “mosfets””, impidiendo cualquier conntrol sobre la etapa e de poten ncia. ~ 73 ~ 5 Laborratorio Connvertidor Buuck-Boost dee inductores acoplados a paara aplicacionnes fotovoltaaicas 5.4.3.1 Modo M boostt Figura 67. Señales S y S_buck. En estaa figura poddemos obseervar la seññal S y S_b buck que attacan al 555 y en la siguiente s figura observamos o s la salida del compaarador con histéresis, ofreciendo nivel alto para el MOSFE ET de buck y una señall cuadrada para p el MOS SFET de Booost. Figura 68. Señales S u1 y u2 2 modo boost. ~ 74 ~ 5 Laborratorio Connvertidor Buuck-Boost dee inductores acoplados a paara aplicacionnes fotovoltaaicas 5.4.3.2 Modo M buck.. Figura 69. Seeñales S y S_bu uck modo buck. En estaa figura poddemos obseervar la seññal S y S_b buck que attacan al 555 y en la siguiente s figura observamos o s la salida del comparador con histéresis, ofreciendo nivel bajo para el MOSFE ET de book y una señall cuadrada para p el MOS SFET de Booost. Figura 70. Señales S u1 y u2 2 modo buck. ~ 75 ~ 5 Laborratorio Connvertidor Buuck-Boost dee inductores acoplados a paara aplicacionnes fotovoltaaicas 5.4.4 Prruebas con el panel Footovoltaico. Se realizzaran unas prruebas para verificar v que nuestro conv vertidor es capaz de sopoortar 2 panelees fotovoltaaicos bp585 en serie a suu entrada, en la salida colo ocaremos unna carga activva imitando las l 2 21 baterías . Posteriorrmente realizzaremos unaas pruebas coon la tipología buck y la tiipología booost. Estas pruuebas no tiennen carácter visible v ya quue los panelees solares se encuentran e ssituados en ell tejado del laborratorio vienddo únicamentte 2 cables quue llevan la alimentación a n del panel footovoltaico (sustituyyendo la fuennte de alimenntación). Figura 71. Coonexión al paneel fotovoltaico. En esta figura f observvamos el connexionado a 2 paneles en serie, esta caaja de conexxiones del lab boratorio tiene differentes coneexiones sobree los paneles fotovoltaico os situados enn el tejado. En este caso c se compprobó que la primera connexión ofrecía 36 voltios, valor de 2 ppaneles en serie. 21 Este prroyecto la impportancia residde en regular la l tensión de entrada e para offrecer la máxiima potencia del d panel solar, porr lo tanto la saalida no es “relevante”, ~ 76 ~ 5 Laborratorio Connvertidor Buuck-Boost dee inductores acoplados a paara aplicacionnes fotovoltaaicas 5.4.5 Laazo de tensiión lazo cerrrado. Este apaartado es el más m importannte del proyeccto demuestrra que el circcuito cumple eficientemeente la tarea paara las cual ha h sido diseeñado, consiiguiendo cu umplir el obj bjetivo del pprincipal dell 22 Proyectto . Represeentamos la siguiente s figgura, para expresar e el conexionad c do realizado y los punto os de medida para comprrobar el lazoo cerrado. Conssigna Vcin. *Com mprobación n consigna Conexióón a la Carga activa Alim mentación Externa 25V (placa de control) Con nexión Panell foto ovoltaico *Co omprobacióón ten nsión de entrrada Figura 722. Representaciión del conexio onado para el lazzo cerrado Com mprobación Corriiente de entrada Cabe deestacar que la señal com mprobaciónn de la tensió ón de entradda y la señaal de la conssigna son las utilizadas u en las siguientes figurass de los aparrtados que veremos v a ccontinuación n. Esta figgura es el moodo de coneexión para demostrar d el objetivo principal p dell proyecto: Conexionaddo completoo (carga actiiva, paneless fotovoltaiccos y alimenntación placca de C c control) C Consigna cuuadrada extterna comprrendida entrre 1,7 y 2 vooltios Visualizacióón de la tennsión de entrrada (panelees solares) conjuntame V c ente la consiigna 17 y 20 volttios. 22 Los objjetivos se encuentran detalllados en el apaartado 2.1 objetivos del prooyecto ~ 77 ~ 5 Laboratorio Convertidor Buck-Boost de inductores acoplados para aplicaciones fotovoltaicas 5.4.5.1 Desarrollo de las pruebas en lazo cerrado Debido a la importancia del apartado lazo cerrado, se ha considerado oportuno detallar paso a paso las pruebas realizadas en este apartado. Se han realizado 3 pruebas diferentes para cada modo de funcionamiento buck y boost: La primera prueba consiste en comprobar que nuestro circuito sigue una consigna manual. Para ello los equipos que intervienen son: 1. Carga activa a la salida modo tensión. 2. Alimentación placa de control +25 voltios, se encarga de generar +15,+5 y +2,5 voltios. 3. Fuente de alimentación para la consigna (0 y 5 voltios). 4. 2 fuentes de alimentación en serie imitando los paneles fotovoltaicos (36 voltios). 5. Resistencia en serie a la entrada, absorbiendo la diferencia de tensión. 6. Osciloscopio y testesr. Una vez realizados estos pasos, se alimenta y la consigna se va modificando observando que la tensión de entrada se modifica, con un factor 10. La segunda prueba consiste en comprobar que nuestro circuito sigue una consigna cuadrada. Para ello los equipos que intervienen son: 1. Carga activa a la salida modo tensión. 2. Alimentación placa de control +25 voltios, se encarga de generar +15,+5 y +2,5 voltios. 3. Generador de funciones para la consigna (1,7 y 2 voltios). 4. 2 fuentes de alimentación en serie imitando los paneles fotovoltaicos (36 voltios). 5. Resistencia en serie a la entrada, absorbiendo la diferencia de tensión. 6. Osciloscopio y Tester Una vez realizados estos pasos, se alimenta y se recogen las figuras comparando la consigna con la tensión de entrada. ~ 78 ~ 5 Laboratorio Convertidor Buck-Boost de inductores acoplados para aplicaciones fotovoltaicas La tercera prueba consiste en comprobar que nuestro circuito sigue una consigna cuadrada, pero esta vez con los paneles fotovoltaicos. Para ello los equipos que intervienen son: 1. Carga activa a la salida modo tensión. 2. Alimentación placa de control +25 voltios, se encarga de generar +15,+5 y +2,5 voltios. 3. Generador de funciones para la consigna (1,7 y 2 voltios). 4. 2 paneles fotovoltaicos en serie (36 voltios). 5. Osciloscopio y rester El resultado obtenido a esta prueba es el mismo que en la prueba 2 pero sirve para comprobar que el circuito es capaz de actuar sobre los paneles fotovoltaicos. Una vez realizadas estas 3 pruebas, podemos afirmar que hemos logrado nuestro objetivo y que nuestro circuito funciona correctamente. ~ 79 ~ 5 Laboratorio Convertidor Buck-Boost de inductores acoplados para aplicaciones fotovoltaicas 5.4.5.3 Lazo cerrado modo buck. Para configurar el funcionamiento en modo buck introducimos una carga activa en modo de tensión a 10 voltios y nuestra consigna una tensión de 2 voltios, de esta manera deseamos 20 voltios a la entrada. Además se añado la alimentación a la placa de control generando los +15V, + 5V y +2,5V. Prueba 1 (consigna manual). Una vez configurado, el modo de proceder ha sido el siguiente: Primero comprobamos las alimentaciones y posteriormente añadimos la tensión de entrada. Entonces variando la consigna lentamente de 1,7 voltios a 2,0 voltios nuestra tensión de entrada varía entre 17 y 20 voltios manteniendo la tensión de salida constante. De esta manera podemos afirmar que cumple sus objetivos y se está modificando el ciclo de trabajo para mantener la tensión deseada. Esta prueba no tiene carácter visual ya que simplemente observamos los números del voltímetro como varían mientras variamos lentamente la consigna, por esto realizamos la siguiente prueba. Prueba 2(Consigna señal Cuadrada) Una vez demostrado que nuestro circuito es capaz de responder a un escalón y a las variaciones de forma manual, procedemos a introducir una señal cuadrada en la consigna23, mediante un generador de funciones. Figura 73. Consigna y tensión de entrada en modo Buck. Como se observa nuestro circuito cumple su objetivo, para el cual ha sido diseñado. 23 Durante esta prueba descubrimos que el condensador encargado de atenuar el escalón era de un valor reducido y nuestro circuito sufría un pico de corriente no deseado. Por esta razón se modificó el condensador encargado a este fin En el apartado 7 diseño del circuito 2.0 se encuentra con más detalle. ~ 80 ~ 5 Laboratorio Convertidor Buck-Boost de inductores acoplados para aplicaciones fotovoltaicas Prueba 3 (Paneles Solares) Una vez demostramos que nuestro circuito funciona correctamente y es capaz de modificar la tensión de entrada mediante una consigna, probamos de sustituirlas fuentes de alimentación en serie por los paneles fotovoltaicos. Figura 74. Consigna y tensión de entrada en modo Buck Paneles Fotovoltaicos. ~ 81 ~ 5 Laborratorio Connvertidor Buuck-Boost dee inductores acoplados a paara aplicacionnes fotovoltaaicas 5.4.5.4 Lazo L cerraddo modo Booost En este caso c repetim mos las 3 prueebas realizaddas anteriorm mente en el modo m buck. Para connfigurar el modo boost elejimos 40 vooltios a la sallida de esta manera m nuesttro circuito in ntentara consegirr los 20 voltioos deseados en la entradaa. Igual que en e el apartaddo anterior neecesitamos alimentar la placa de control. Prueba 1 (consigna manual). Para verificar que funnciona, una vez v realizadaas las alimen ntaciones y seeleccionada la consigna, añadimoos la tension de la fuente de alimentaccion(imita el Panel fotovooltaico). Observaando que en este e modo tam mbien cumple su función n, variamos lentamente l laa consigna observanndo como la tension de enntrada varia.. Esta prueba no tiene carácter visuual. Prueba 2(Consigna señal Cuad drada) mos a introdducir la consigna mediantte el generador de funcionnes. El resulltando obtenido es el Procedem siguientee: Figurra 75. Consignaa y tensión de en ntrada en modoo Buck. ~ 82 ~ 5 Laboratorio Convertidor Buck-Boost de inductores acoplados para aplicaciones fotovoltaicas Prueba 3 (Paneles Solares) Una vez demostramos que nuestro circuito funciona correctamente y es capaz de modificar la tensión de entrada mediante una consigna, solo queda probar la consigna automática con los paneles fotovoltaicos. Para esta tarea sustituimos la fuente de alimentación y el resistor en serie por 2 paneles fotovoltaicos interconectados en serie. Figura 76. Consigna y tensión de entrada en modo Boost Paneles Fotovoltaicos. ~ 83 ~ 5 Laborratorio Connvertidor Buuck-Boost dee inductores acoplados a paara aplicacionnes fotovoltaaicas 5.4.6 Ajjuste final Durante las comprobbaciones finaales han aparecido varios problemas que q han dadoo lugar en alg gún caso a realizaar una modifiicación del circuito. Divisor de tensión consigna, en e este diseñño la tensión n de referenncia (consiggna) tiene qu ue tener un valorr próximo a la tensión de entrada. Imagineemos que prretendemos forzar la teensión de en ntrada a 40 voltios, v necesitaríamoss una tensión de referenccia de 40 voltios, mienttras si hubieera un divisoor de tensióón con una relación r de la miitad con 20 Voltios obttendríamos los 40 voltiios a la entraada La soluución a este implementaada la podeemos observ var en la sigguiente figurra. De esta manera, coon una consiigna entre 0 y 5 voltioss conseguim mos una tenssión real de entrada comprenndida entre 0 y 50 volttios, adecuada para cum mplir los objjetivos, unaa relación faactor 10. Figura 77. Sollución divisor de d tensión final. ~ 84 ~ 5 Laborratorio Connvertidor Buuck-Boost dee inductores acoplados a paara aplicacionnes fotovoltaaicas ma detectado durante las pruebas p finalles ha sido unn pico de corrriente al cam mbio de El siguieente problem valor de la consigna como se pueede observar a la siguientte figura. h obserrvado que nuuestro escalón n era demasiiado pronuncciando provo ocando Durante las pruebas hemos 24 d corriente decidimos modificar m el condensador c para ofrecerr una rampa m más suave . un pico de Figuraa 78. Visualizacción del pico dee corriente no deseado. d 24 Las figguras representtadas en el lazzo cerrado ya cuentan con el e valor del condensador moodificado. ~ 85 ~ 5 Laborratorio Connvertidor Buuck-Boost dee inductores acoplados a paara aplicacionnes fotovoltaaicas 5.5 Ren ndimiento del d convertidor. Los connvertidores por eficienttes que seann siempre tienen un coonsumo, dennominado pérdidas, p por estee motivo es esencial reaalizar el cálcculo del ren ndimiento all finalizar uun convertid dor. Idealmeente el convvertidor (43) ( Como sabemos (44) ( Para el cálculo dell rendimientto utilizamoos un equip po específico de la marrca Voltech h modelo m poten ncias y reallizar cálcullos sobre estas, e en PM60000 que está especializaado para medir nuestro caso el renddimiento. En las siguientes s taablas quedaa reflejado el e rendimien nto del convvertidor, tannto en modo o buck y el modoo boost. El cálcuulo del renddimiento se ha realizadoo mediante unos valorees próximoss al funcion namiento real dell circuito, utilizando u u fuente de una d alimentaación como señal de eentrada y un na carga activa como c sustituución de las baterías. Como conclusión c d estudio del del d rendimiento, podem mos aseguraar que nuesttro convertid dor funcionna correctam mente, obtenniendo un reendimiento del 95 %. En E el modo bost y del 92 9 % en el modoo buck comoo se puede observar o en las siguien ntes tablas Figura 79. Equipo E utilizaddo para el cálcullo del rendimiennto PM6000. ~ 86 ~ 5 Laboratorio Convertidor Buck-Boost de inductores acoplados para aplicaciones fotovoltaicas Rendimiento del Convertidor buck Valores Carrga activa Valores equipo Valores Vin (V) Dc Vout (V) Iout (A) R (Ω) Vin (V) Iin (A) Pin (W) Vout (V) Iout (A) Pout (W) 18,000 0,750 13,500 17,727 1,697 30,087 13,243 2,158 28,585 18,000 0,750 5,000 17,397 3,933 38,421 12,669 5,020 63,598 18,000 0,750 5,000 17,635 2,010 35,447 13,120 2,558 33,562 36,000 0,375 13,500 35,682 1,310 46,980 14,319 3,066 43,905 36,000 0,375 4,000 35,712 1,597 57,011 13,225 4,012 53,056 36,000 0,375 5,000 35,644 1,989 70,889 13,101 5,018 65,746 36,000 0,375 3,000 35,688 1,684 60,070 13,181 4,236 55,829 36,000 0,750 27,000 35,665 1,543 55,062 28,230 1,895 53,486 36,000 0,750 5,000 35,318 3,947 139,410 26,676 5,019 133,890 36,000 0,750 5,000 35,346 4,094 144,710 26,638 5,206 138,690 Tabla 4 Rendimiento del Convertidor modo Buck. ~ 87 ~ Rend. 95,007 92,951 94,685 93,457 93,063 92,744 92,946 97,138 96,040 95,840 5 Laboratorio Convertidor Buck-Boost de inductores acoplados para aplicaciones fotovoltaicas Rendimiento del Convertidor boost Valores Carrga activa Valores equipo Valores Vin (V) Dc Vout (V) Iout (A) R (Ω) Vin (V) Iin (A) Pin (W) Vout (V) Iout (A) Pout (W) 18,000 0,500 36,000 17,504 1,5356 27 36,102 714,41m 25,788 18,000 0,500 2,500 17,237 5,1043 87,983 33,059 2,530 83,638 18,000 0,500 20,000 17,488 3,4191 59,799 33,92 1,688 57,243 18,000 0,400 30,000 17,758 1,248 22,715 30,193 0,709 21,353 18,000 0,400 3,000 17,182 5,063 86,939 27,361 3,023 82,698 18,000 0,400 20,000 17,642 2,397 42,290 28,618 1,422 40,682 36,000 0,200 45,000 35,803 1,263 45,239 45,143 0,979 44,196 36,000 0,143 42,000 35,838 0,585 30,517 42,125 0,707 29,796 36,000 0,143 3,500 35,550 4,093 145,510 40,297 3,517 141,720 36,000 0,143 20,000 36,039 2,410 83,836 41,337 2,056 84,975 Tabla 5 Rendimiento del Convertidor modo boost. ~ 88 ~ Rend. 95,945 95,061 95,724 96,385 95,062 96,197 97,709 97,707 97,397 97,823 6 Actualización del Circuito Convertidor Buck-Boost de inductores acoplados para aplicaciones fotovoltaicas 6 Actualización del circuito Debido a las irregularidades que han surgido en el diseño original25 hemos podido observar que mediante una actualización, el circuito funcionaria de manera más óptima. Al demostrar los objetivos del proyecto utilizando la versión 1.0 este diseño no ha sido necesario llevarlo a la práctica. Todos estos errores han sido detallados en el apartado laboratorio durante las reparaciones y en el apartado ajuste final se realizó por un problema encontrado durante las pruebas finales. Listado de actualización (2.0) Etapa de potencia: 1. 2. 3. 4. 5. Adaptar el tamaño de los Condensadores entrada. Amplificador operacional accesible (añadir zocalo). Introducir más puntos de mesura para facilitar medidas (Vin,Vout,Vcin). Conectores adecuados. Sustituir chip de control ir2110 por HIP4041 (solución al problema inicial) Etapa de control: 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 25 Diodos de seguridad con el valor correcto. Reguladores y pistas correctas. Solucionar problemas del Zócalo 556. Operacional lazo de corriente y ajuste de ganancia en el mismo encapsulado. Potenciómetros de ajustes accesibles y adecuados. Divisor de tensión consigna factor 10. Condensador, atenuar el escalón de consigna valor adecuado. Conectores adecuados. En el apartado 5 Laboratorio se encuentran detallados los problemas a solucionar. ~ 89 ~ Convertidor Buck-Boost de inductores acoplados para aplicaciones fotovoltaicas 7 Planos eléctricos 7 Planos eléctricos Los siguientes planos ofrecen información sobre las dos placas de este proyecto, la placa de control y la placa de potencia. Esta información se encuentra separada por 2 programas: El programa “Psim” realiza las simulaciones y su diseño representa los componentes necesarios para el funcionamiento ideal. El programa “orcad” representa la distribución de los componentes así como las conexiones reales de los mismos. Del esquema creado por el programa “orcad” se obtiene el esquema de la PCB “layout”. Pagina 89 90 91 92 93 94 95 96 Figura 80 81 82 83,84 85 86 87 88,89 Titulo Simulación placa de potencia Circuito de potencia (versión 1.0) *Circuito de potencia (versión 2.0) PCB de potencia (versión 1.0) Simulación placa de control Circuito de control (versión 1.0) *Circuito de control (versión 2.0) PCB de control(versión 1.0) Tabla 6. Referencia de los planos electricos. ~ 90 ~ Programa Psim Orcad Orcad Layout Psim Orcad Orcad Layout 7 Planos eléctricosConvertidor Buck-Boost de inductores acoplados para aplicaciones fotovoltaicas Figura 80. Esquema de la placa de potencia utilizado en la simulación con PSIM. ~ 91 ~ 7 Planos eléctricosConvertidor Buck-Boost de inductores acoplados para aplicaciones fotovoltaicas Figura 81. Esquema de la etapa de potencia creado por el programa orcad. ~ 92 ~ 7 Planos eléctricosConvertidor Buck-Boost de inductores acoplados para aplicaciones fotovoltaicas Figura 82. Esquema de la etapa de potencia versión 2.0, Orcad. ~ 93 ~ 7 Planos eléctricos Convertidor Buck-Boost de inductores acoplados para aplicaciones fotovoltaicas Figura 83. Circuito impreso, placa Potencia cara a. Figura 84. Circuito impreso, placa potencia cara b. ~ 94 ~ 7 Planos eléctricosConvertidor Buck-Boost de inductores acoplados para aplicaciones fotovoltaicas Figura 85. Esquema de la placa de control utilizada en la simulación con PSIM. ~ 95 ~ 7 Planos eléctricosConvertidor Buck-Boost de inductores acoplados para aplicaciones fotovoltaicas Figura 86. Esquema de los componentes en el editor de ORCAD. ~ 96 ~ 7 Planos eléctricosConvertidor Buck-Boost de inductores acoplados para aplicaciones fotovoltaicas Figura 87. Esquema de la etapa de control versión 2.0, Orcad. ~ 97 ~ 7 Planos eléctricos Convertidor Buck-Boost de inductores acoplados para aplicaciones fotovoltaicas Figura 88. Control cara B (Layout) Figura 89. Control cara A (Layout). ~ 98 ~ Convertidor Buck-Boost de inductores acoplados para aplicaciones fotovoltaicas 8 Presupuestos 8 Presupuestos El presupuesto se ha realizado sobre la versión 2.0, ya que resuelve los diferentes problemas, además la versión 1.0 cuenta ya con un presupuesto realizado en el proyecto Inicial [2] 8.1 Placa de potencia Codgo Precio Cantidad Precio total unitario (u) (€) (€) Descripcion P_01 Condensador poliéster 22 µF P_02 P_03 P_04 P_05 P_06 P_07 P_08 P_09 P_10 P_11 P_12 P_13 P_14 P_15 P_16 P_17 P_18 P_19 P_20 Condensador SMD 2.2 µF Condensador poliéster 1n Resistencia intermedia 1.5Ω 4 W Resistencia sensado 5mΩ Resistencia adaptación 100KΩ 0,5W Resistencia acople 150Ω 0,5W Resistencia de control 10Ω 0,5W Resistencia operacional 220kΩ 0,5W Resistencia operacional 5kΩ 0,5W Diodo alimentación entrada 1n4003 Diodo schottky MRB60H100CT Diodo zener 15V 1NN4744A Chip driver HIP4081 Operacional LMP7717 Mosfets IRFB4110 Inductor entrada Inductor acoplado magnéticamente CON SIL DSC 2 CON SIL DSC 3 12 4 1 1 1 2 1 2 2 2 2 2 2 1 1 2 1 1 5 2 47 Total Tabla 7. Presupuesto de la placa de potencia. ~ 99 ~ 5,47 0,132 0,65 1,2 0,682 2,54 0,112 6,31 1,35 5,07 65,64 0,528 0,65 1,2 0,682 0,126 0,063 0,126 0,126 0,126 0,206 5,08 0,224 6,31 1,35 10,14 0,184 0,214 0,92 0,428 93,925 0,063 0,063 0,063 0,063 0,063 0,103 Convertidor Buck-Boost de inductores acoplados para aplicaciones fotovoltaicas 8 Presupuestos 8.2 Placa de control Código C_01 C_02 C_03 C_04 C_05 C_06 C_07 C_08 C_09 C_10 C_11 C_12 C_13 C_14 C_15 C_16 C_17 C_18 C_19 C_20 C_21 C_22 Precio Precio Cantidad unitario total (€) (u) (€) Descripción Regulador 15V Regulador 5V Transistor BC139 Diodo seguridad 1n4001 Diodo LED Resistencia 10 kΩ 0,5W Resistencia4,7 kΩ 0,5W Resistencia 5,6 kΩ 0,5W Resistencia 20 kΩ 0,5W Resistencia 39 kΩ 0,5W Resistencia 3,3 kΩ 0,5W Resistencia 100 kΩ 0,5W Resistencia 22kΩ 0,5W Condensador SMD 1 µF Condensador poliéster 100nF Condensador poliéster 10nF Condensador poliéster 4,7nF amp operacional TLC2272 TS556 Potenciómetros 10KΩ CON SIL DSC 2 CON SIL DSC 3 Total 1 1 1 3 2 6 3 2 4 2 2 1 1 6 1 1 1 2 1 2 5 2 50 Tabla 8. Presupuesto de la placa de control. ~ 100 ~ 0,69 0,8 0,325 0,044 0,253 0,063 0,063 0,063 0,063 0,063 0,063 0,063 0,063 0,106 0,54 0,336 0,174 1,44 0,256 0,72 0,184 0,214 0,69 0,8 0,325 0,132 0,506 0,378 0,189 0,126 0,252 0,126 0,126 0,063 0,063 0,636 0,54 0,336 0,174 2,88 0,256 1,44 0,92 0,428 11,386 Convertidor Buck-Boost de inductores acoplados para aplicaciones fotovoltaicas 8 Presupuestos 8.3 Otros accesorios Código O_01 O_02 O_03 O_04 O_05 Precio Cantidad Precio unitario (u) total (€) (€) Descripción Estaño Cables interconexionado de placas Cables alimentación CON SIL DSC 2 macho CON SIL DSC 3 macho Total 1 7 4 10 4 26 2 0,01 0,05 0,18 0,21 2 0,07 0,2 1,8 0,84 4,91 Tabla 9. Presupuesto de la placa de control. 8.4 Resumen del presupuesto Placa de potencia 93,92 € Placa de control 11,39 € Otros accesorios 4,91 € Total de ejecución 110,22€ El presupuesto de ejecución del material asciende a ciento diez euros con veintidós céntimos. ~ 101 ~ 9 Conclusiones Convertidor Buck-Boost de inductores acoplados para aplicaciones fotovoltaicas 9 Conclusiones El proyecto realizado forma parte de un conjunto de trabajos, La idea inicial de observar la corriente de entrada para tomar decisiones viene desarrollada en la publicación [1], cuya idea se adaptó a paneles fotovoltaicos en el proyecto [2]. Esto implica que nuestro proyecto sea “solo” la parte práctica, como se ha descrito en los objetivos, pero de todas maneras ha sido de carácter obligatorio realizar un aprendizaje teórico. Cabe destacar la satisfacción cuando el convertidor funciono en lazo cerrado, utilizando los paneles fotovoltaicos situados en el tejado del laboratorio, quedando demostrado el objetivo del proyecto, ya que las horas dedicadas a este fin no son cuantificables. Otro punto a destacar durante la realización de este proyecto, es el aprendizaje obtenido de los programas Psim encargado de las simulaciones y orcad encargado del diseño. Además las diferentes conversaciones con el tutor del proyecto, guiándome y colaborando en todos los aspectos, sin olvidar la colaboración de los compañeros del laboratorio. ~ 102 ~ 10 Bibliografía Convertidor Buck-Boost de inductores acoplados para aplicaciones fotovoltaicas 10 Bibliografía [1] C. Restrepo, J Calvente, A Romero, E Vidal-Idiarte, R Giral. “Current-Mode Control of a Coupled-Inductor Bucl-Boost DC-DC Swiching Converter,” IEE Trans. Power Electronics. vol. 27, no. 6, pp. 2536-2549, May. 2012. [2] Lina “Analysis and design of a Buck-Boost converter for PV applications with coupled inductor and Sliding Mode Control” [3] Apuntes de “Informática industrial 2 ETIEI Apartado PID” [4] Apuntes de “Potencia ETIEI Apartado conmutación Transistores” [5] Página web http://www.solarcellsales.com/ documento PDF situado en http://www.solarcellsales.com/techinfo/docs/bp-485.pdf . Descripción panel Bp485. [6] Pagina web http://es.rs-online.com/web/ búsqueda de precios de los diferentes componentes. ~ 103 ~ Anexo 1 Convertidor Buck-Boost de inductores acoplados para aplicaciones fotovoltaicas 11 Información complementaria Abreviaturas Vcin señal, salida del operacional amplificación sensado. IL Corriente de entrada. S Señal 555 boost. S_buck Señal 555 buck. Buck Convertidor reductor. Boost Convertidor elevador. Vo/Vmax Alimentación etapa de control ~ 104 ~ Anexo 1 Convertidor Buck-Boost de inductores acoplados para aplicaciones fotovoltaicas Anexo1 Manual de funcionamiento 1. Introducción. Al ser un circuito con la posibilidad que futuras personas trabajen sobre ella, hemos considerado oportuno realizar manual de funcionamiento. 2. Resumen de funcionamiento. Este circuito regula la tensión de entrada respecto la señal de salida, mediante la relación conocida del convertidor buck/boost. Regulando esta tensión de entrada conseguimos variar el punto de trabajo del panel fotovoltaico, por lo tanto la potencia ofrecida. 3. Conexionado. En la salida se conecta una carga activa o baterías que determinaran la tensión de salida. En la entrada se introduce la señal de los paneles solares o en su defecto una fuente de alimentación con un resistor en serie para absorber la diferencia de voltaje. La tensión de entrada depende de la señal de referencia denominada Vref o Consigna. Su valor puede variar entre 1 y 4 voltios teniendo una relación 1 a 10. Ejemplo, 2 voltios equivalen a 20 voltios en la entrada. 4. Protocolo de arranque. Este paso es necesario por una posible ruptura durante en el primer arranque, en el modo boost elevador. En el momento inicial, primera vez que alimentamos, nuestro chip ir2110 puede no activar el mosfet de buck (en modo elevador debe comportarse como circuito cerrado) entonces el mosfet de boost puede sufrir una rotura por sobretensión. Este problema se soluciona colocando una alimentación externa de 25 en la placa de control al conector (Vin/Vout max) (Amarillo). Esta señal debería ser la más elevada entre la tensión de entrada o la tensión de salida pero como es obvio en el momento 0 no tenemos ni una tensión ni otra. ~ 105 ~ Anexo 1 Convertidor Buck-Boost de inductores acoplados para aplicaciones fotovoltaicas 5. Relación señales El circuito ha sido diseñado para una tensión de entrada 36 voltios pudiendo soportar un margen entre 0 y 44 voltios 0 y 4,4 voltios para la consigna y una tensión de salida de 3 baterías en serie unos 40 voltios. Si la tensión de entrada se iguala la salida nuestro circuito se encontrara en un punto de trabajo delicado el cual no ha sido tratado en este proyecto. 6. Señales de interés. La señal a observar del circuito es la tensión de entrada, modificar Vref consigna y observar como la tensión se modifica con la relación factor 10. Una forma de observar esta señal de manera más significativa es introducir una señal cuadrada en Vref consigna y observar como la señal de entrada consigue seguir la tensión de consigna. ~ 106 ~ Anexo 1 Convertidor Buck-Boost de inductores acoplados para aplicaciones fotovoltaicas Anexo 2 Listado de figuras Figura 1. Panel solar BP585. ....................................................................................................... 11 Figura 2. Curvas características panel fotovoltaico..................................................................... 12 Figura 3. Efecto sombra. ............................................................................................................ 13 Figura 4. Tipología Buck. ........................................................................................................... 15 Figura 5. Circulación de la corriente en Ton modo buck. .......................................................... 15 Figura 6. Circulación de la corriente en Toff modo buck. ......................................................... 16 Figura 7. Periodo de la corriente del inductor. ........................................................................... 17 Figura 8. Tipología Boost............................................................................................................ 18 Figura 9. Corriente del inductor en Ton modo boost. ................................................................ 18 Figura 10. Corriente del inductor en toff modo boost. ............................................................... 19 Figura 11. Ejemplificación del control PID ............................................................................... 20 Figura 12. Batería plomo-acido 12 V. ........................................................................................ 21 Figura 13. Curva V-I panel BP 585. .......................................................................................... 22 Figura 14 Representación aproximada de la relación V-I de 2 paneles fotovoltaicos en serie. .. 23 Figura 15. Representación de los Circuitos que intervienen. ...................................................... 25 Figura 16 Representación de los componentes externos. ............................................................ 26 Figura 17. Etapa de potencia. ...................................................................................................... 27 Figura 18. Placa de potencia cara componentes. ......................................................................... 27 Figura 19. Placa de potencia cara soldaduras. ............................................................................. 27 Figura 20. Tensiones de interés modo buck. ............................................................................... 29 Figura 21. Circulación del corriente modo buck. ....................................................................... 29 Figura 22. Tensiones de interés modo boost. .............................................................................. 30 Figura 23. Circulación de la corriente modo boost. .................................................................... 30 Figura 24. Visualización de la corriente de entrada. .................................................................. 31 Figura 25. Operacional etapa de potencia Esquema del programa Psim. .................................. 32 Figura 26. Operacional etapa de potencia distribución componentes mediante el Orcad. ......... 32 Figura 27. Conexionado del chip 2110. ..................................................................................... 33 Figura 28. Conectores de la placa de potencia, figura orientativa. ............................................ 35 Figura 29. Módulos etapa de control. ......................................................................................... 36 Figura 30. Placa de control cara componentes. ........................................................................... 36 Figura 31. Placa de control cara soldaduras. ............................................................................... 36 Figura 32. Circuito de alimentación. .......................................................................................... 37 Figura 33. Ejemplificación de la conexión para obtener la tensión deseada. ............................. 37 Figura 34. Operacional tierra virtual (PSIM) ............................................................................. 38 Figura 35. Operacional lazo de tensión. ..................................................................................... 39 Figura 36. Operacional lazo de corriente. .................................................................................. 40 Figura 37. Operacional ajuste señal. .......................................................................................... 41 Figura 38. Afectación de la ganancia en la señal. ....................................................................... 41 Figura 39. Encapsulado de los operacionales.............................................................................. 42 Figura 40. Disposición operacionales 2 y 3. ............................................................................... 42 Figura 41. Disposición operacionales 1 y 4. ............................................................................... 43 Figura 42. Simulación 556. ......................................................................................................... 44 Figura 43 Señal triangular modo boost. ...................................................................................... 45 Figura 44. Señal triangular modo buck. ...................................................................................... 45 Figura 45. Conectores Placa de control, figura orientativa. ........................................................ 46 ~ 107 ~ Anexo 1 Convertidor Buck-Boost de inductores acoplados para aplicaciones fotovoltaicas Figura 46. Simulación solo potencia Psim .................................................................................. 48 Figura 47. Solución sobretensión. ............................................................................................... 49 Figura 48. Cambio de buck a boost 4 voltios (Psim)................................................................... 50 Figura 49. Cambio de boost a buck 4 voltios (Psim). ................................................................ 50 Figura 50. Conexionado ir2110 problema inicialización. ........................................................... 56 Figura 51. Convertidor buck/boost causa de la avería chip ir 2110 ............................................ 57 Figura 52. Corriente de salida con distintos valores. .................................................................. 60 Figura 53. Corriente de salida. .................................................................................................... 61 Figura 54. Placa de potencia vista desde abajo ........................................................................... 61 Figura 55. Salida operacional errónea. ........................................................................................ 62 Figura 56. Salida del operacional, Vcin (imprimida). ................................................................. 63 Figura 57. Salida del operacional Vcin (Foto). ........................................................................... 63 Figura 58. Representación grafica de un potenciómetro ............................................................ 65 Figura 59. Diseño divisor de tensión, erróneo............................................................................. 66 Figura 60. Divisor de tensión correcto. ....................................................................................... 66 Figura 61. Señal cuadrada Buck. ................................................................................................. 70 Figura 62. Señal Vcin Buck ........................................................................................................ 70 Figura 63. Señal cuadrada, Boost. ............................................................................................... 71 Figura 64. Señal Vcin, Boost. ...................................................................................................... 71 Figura 65. Prueba física del objetivo principal del convertidor. ................................................. 72 Figura 66. Prueba del lazo de control. ......................................................................................... 73 Figura 67. Señales S y S_buck. ................................................................................................... 74 Figura 68. Señales u1 y u2 modo boost. ..................................................................................... 74 Figura 69. Señales S y S_buck modo buck. ................................................................................ 75 Figura 70. Señales u1 y u2 modo buck........................................................................................ 75 Figura 71. Conexión al panel fotovoltaico. ................................................................................. 76 Figura 72. Representación del conexionado para el lazo cerrado ............................................... 77 Figura 73. Consigna y tensión de entrada en modo Buck. ......................................................... 80 Figura 74. Consigna y tensión de entrada en modo Buck Paneles Fotovoltaicos. ..................... 81 Figura 75. Consigna y tensión de entrada en modo Buck. .......................................................... 82 Figura 76. Consigna y tensión de entrada en modo Boost Paneles Fotovoltaicos....................... 83 Figura 77. Solución divisor de tensión final................................................................................ 84 Figura 78. Visualización del pico de corriente no deseado. ........................................................ 85 Figura 79. Equipo utilizado para el cálculo del rendimiento PM6000. ....................................... 86 Figura 80. Esquema de la placa de potencia utilizado en la simulación con PSIM. ................... 91 Figura 81. Esquema de la etapa de potencia creado por el programa orcad................................ 92 Figura 82. Esquema de la etapa de potencia versión 2.0, Orcad. ................................................ 93 Figura 83. Circuito impreso, placa Potencia cara a. .................................................................... 94 Figura 84. Circuito impreso, placa potencia cara b. .................................................................... 94 Figura 85. Esquema de la placa de control utilizada en la simulación con PSIM. ...................... 95 Figura 86. Esquema de los componentes en el editor de ORCAD. ............................................. 96 Figura 87. Esquema de la etapa de control versión 2.0, Orcad. .................................................. 97 Figura 88. Control cara B (Layout) ............................................................................................. 98 Figura 89. Control cara A (Layout). ............................................................................................ 98 ~ 108 ~ Anexo 1 Convertidor Buck-Boost de inductores acoplados para aplicaciones fotovoltaicas Anexo 3 Listado de ecuaciones. ∆ ∆ ∆ ∆ ∆ ∆ D (1) .............................................................................................. 15 (2) ........................................................................................................ 15 0 (3) ................................... 15 (4)...................................................................................................... 16 (5)................................................................................................................ 16 0 (6) .......................................... 16 ∆ 0 (7) ......................................................................................................... 17 0 (8) .................................................................................. 17 0 (9)....................................................................................... 17 0 (10) ........................................................................... 17 0 (11) .......................................................................................... 17 (12) ...................................................................................................................... 17 (13) ......................................................................................................... 18 (14) .............................................................................................................. 18 0 (15) ............................................................. 18 (16) ............................................................................................ 19 (17) ................................................................................................... 19 0 (18)....................... 19 ∆ 0 (19) ....................................................................................................... 19 0 (20) ............................................................................. 19 0 (21) ......................................................................................... 19 0 (22)......................................................................... 19 0 (23) .................................................................................. 19 1 0 (24) ........................................................................................................ 19 1 (25) .............................................................................................................. 19 (26) .................................................................................................................. 20 0 (27) .............................................................................................................. 20 0 (28) .............................................................................................................. 20 58,8 (29) ..................................................................................................... 22 ~ 85 (30) .................................................................................... 22 21 1 (31) ...................................................................................................... 28 2 (32) .............................................................................................................. 28 11 1 (33) ......................................................................................................... 28 ~ (34) .......................................................................................................................... 30 (35) ...................................................................................................................... 31 5 (36) .................................................................................................................. 31 5 (37) ........................................................................................................ 31 5 4 44 (38) ................................................................................ 32 2 (39) ................................................................................................... 40 2 1 (40) ......................................................................................... 41 (41) ................................................................................................ 59 (42)............................................................................................... 59 (43) ...................................................................................................................... 86 (44) ................................................................................................ 86 ~ 109 ~ Anexo 1 Convertidor Buck-Boost de inductores acoplados para aplicaciones fotovoltaicas Anexo 4 Listado de tablas Tabla 1. Características del panel solar BP 485 y BP585. .......................................................... 10 Tabla 2. Calculo del resistor correcto.......................................................................................... 59 Tabla 3. Demostración regulación tensión de entrada. ............................................................... 72 Tabla 5 Rendimiento del Convertidor modo boost. .................................................................... 88 Tabla 6. Referencia de los planos electricos. .............................................................................. 90 Tabla 7. Presupuesto de la placa de potencia. ............................................................................. 99 Tabla 8. Presupuesto de la placa de control. ............................................................................. 100 Tabla 9. Presupuesto de la placa de control. ............................................................................. 101 ~ 110 ~
