Realización de un ondulador monofásico de tipo fotovoltaico

Realización de un Ondulador Monofásico de Tipo
Fotovoltaico.
TITULACIÓN: Ingeniería en Automática y Electrónica Industrial
AUTOR: David Hernando Ureta5
DIRECTORES: Ángel Cid Pastor
5
Luís Martínez Salamero
FECHA: Abril / 2008
5
A mis padres, Atanasio y Mª del Carmen.
A todos aquellos que con su apoyo han hecho posible este proyecto.
i
Realización de un Ondulador Monofásico de Tipo Fotovoltaico.
ÍNDICE
ÍNDICE
Índice de contenidos
1
INTRODUCCIÓN. .............................................................................................................................. 1
1.1
1.2
1.3
1.3.1
1.3.2
1.3.3
1.4
1.5
1.6
1.6.1
1.6.2
1.7
1.7.1
1.7.2
1.7.3
2
ESTRUCTURA PROPUESTA......................................................................................................... 15
2.1
2.1.1
2.2
2.2.1
2.3
2.3.1
2.4
2.4.1
2.5
2.5.1
2.6
2.6.1
2.7
2.7.1
3
RESISTOR LIBRE DE PÉRDIDAS BASADO EN EL CONVERTIDOR BOOST............................................. 17
Simulación del LFR Boost. ...................................................................................................... 19
SEGUIMIENTO DEL PUNTO DE MÁXIMA POTENCIA (MPPT)............................................................ 23
Simulación del MPPT.............................................................................................................. 24
GIRADOR DE POTENCIA TIPO G...................................................................................................... 26
Simulación del girador tipo G. ................................................................................................ 28
REFERENCIA PARA GIRADOR ......................................................................................................... 30
Simulación de la referencia para girador. .............................................................................. 30
PUENTE EN H ................................................................................................................................ 32
Simulación del puente en H. .................................................................................................... 33
TRANSFORMADOR ......................................................................................................................... 35
Simulación del transformador. ................................................................................................ 35
ONDULADOR CON DOS MÓDULOS FOTOVOLTAICOS ....................................................................... 36
Simulación del ondulador con dos módulos fotovoltaicos....................................................... 38
DIMENSIONADO Y SELECCIÓN DE COMPONENTES. ...................................................... 43
3.1
3.2
3.2.1
3.2.2
3.2.3
3.2.4
3.3
3.3.1
3.3.2
3.3.3
3.3.4
3.4
3.4.1
3.4.2
3.5
3.6
4
OBJETIVOS. ..................................................................................................................................... 1
ENERGÍA SOLAR FOTOVOLTAICA..................................................................................................... 1
CARACTERÍSTICAS DEL MÓDULO FOTOVOLTAICO. .......................................................................... 3
Silicio monocristalino................................................................................................................ 4
Silicio policristalino. ................................................................................................................. 4
Silicio amorfo. ........................................................................................................................... 4
CARACTERÍSTICAS ELÉCTRICAS DE LOS MÓDULOS FOTOVOLTAICOS............................................... 4
MODELO DEL MÓDULO FOTOVOLTAICO. ......................................................................................... 6
ACOPLAMIENTO DE LOS MÓDULOS FOTOVOLTAICOS A UNA CARGA. ............................................... 9
Conexión directa al módulo fotovoltaico................................................................................... 9
Etapa de adaptación entre módulo fotovoltaico y carga......................................................... 11
CONVERSIÓN DE LA ENERGÍA SOLAR FOTOVOLTAICA A CORRIENTE ALTERNA. ............................. 12
Inversor de onda cuadrada...................................................................................................... 12
Inversor con modulación de anchura de pulso (PWM). .......................................................... 13
Inversor multinivel................................................................................................................... 14
MÓDULOS FOTOVOLTAICOS .......................................................................................................... 43
LFR BOOST ................................................................................................................................... 44
Componentes pasivos: L y C.................................................................................................... 44
Comparador con histéresis...................................................................................................... 46
Protección de sobretensión...................................................................................................... 47
Disipador de calor................................................................................................................... 48
GIRADOR TIPO G. .......................................................................................................................... 50
Componentes pasivos: L y C.................................................................................................... 50
Comparador con histéresis...................................................................................................... 51
Disipador de calor................................................................................................................... 51
Driver para el MOSFET.......................................................................................................... 52
PUENTE EN H ................................................................................................................................ 54
MOSFETs. ............................................................................................................................... 54
Disipador de calor................................................................................................................... 55
TRANSFORMADOR ......................................................................................................................... 56
FUENTE DE ALIMENTACIÓN ........................................................................................................... 56
PROTOTIPO EXPERIMENTAL DEL ONDULADOR. ............................................................ 59
4.1
ESQUEMA CIRCUITAL DEL ONDULADOR. ....................................................................................... 59
ii
Realización de un Ondulador Monofásico de Tipo Fotovoltaico.
ÍNDICE
4.1.1
LFR Boost................................................................................................................................ 60
4.1.2
Girador tipo G. ........................................................................................................................ 61
4.1.3
Puente en H ............................................................................................................................. 62
4.1.4
MPPT....................................................................................................................................... 63
4.1.5
Referencia girador................................................................................................................... 64
4.1.6
Fuente de alimentación. .......................................................................................................... 65
4.2
LAYOUT ........................................................................................................................................ 66
4.2.1
LFR.......................................................................................................................................... 67
4.2.2
Girador .................................................................................................................................... 68
4.2.3
Puente en H ............................................................................................................................. 70
4.2.4
MPPT....................................................................................................................................... 70
4.2.5
Referencia girador................................................................................................................... 71
4.2.6
Fuente de alimentación ........................................................................................................... 72
4.3
MONTAJE DEL PROTOTIPO DEL ONDULADOR ................................................................................. 73
5
MEDIDAS DE LABORATORIO .................................................................................................... 76
5.1
5.2
5.3
FUNCIONAMIENTO DEL ONDULADOR ALIMENTANDO UNA CARGA RESISTIVA................................ 76
FUNCIONAMIENTO DEL ONDULADOR BAJO PERTURBACIONES. ...................................................... 80
FUNCIONAMIENTO DE ETAPAS LFR-GIRADOR EN PARALELO........................................................ 82
6
CONCLUSIONES Y TRABAJO FUTURO................................................................................... 85
7
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS............................................................................................. 88
8
ANEXOS. ............................................................................................................................................ 90
8.1
ANEXO 1. CÓDIGO C DEL PROGRAMA PARA LA MPPT. ................................................................. 90
8.2
ANEXO 2. PRESUPUESTO DE MATERIALES. .................................................................................... 94
8.2.1
Listado de materiales ondulador. ............................................................................................ 94
8.2.2
Aplicación de precios. ............................................................................................................. 97
8.2.3
Precio prototipo ondulador. .................................................................................................. 100
8.3
ANEXO 3. DISEÑO DE UN GIRADOR TIPO G BASADO EN BIF. ....................................................... 101
Índice de tablas.
Tabla 1.1. Comparativa de módulos fotovoltaicos de diferentes fabricantes en el mismo rango de potencia.. 5
Tabla 1.2. Comparativa de rendimientos según el punto de trabajo............................................................... 10
Tabla 2.1. Resistencia de entrada para el LFR. .............................................................................................. 20
Tabla 2.2. Valor de g emulado por el girador................................................................................................. 30
Tabla 3.1. Consumo eléctrico del LFR y MPPT.............................................................................................. 57
Tabla 3.2. Consumo eléctrico del girador y la referencia............................................................................... 57
Tabla 3.3. Consumo eléctrico del puente en H................................................................................................ 57
Tabla 3.4. Consumo eléctrico del ondulador. ................................................................................................. 58
Tabla 5.1. Asignación canales osciloscopio.................................................................................................... 76
Tabla 5.2. Asignación canales osciloscopio.................................................................................................... 77
Tabla 5.3. Rendimiento aproximado del ondulador. ....................................................................................... 79
Tabla 5.4. Asignación canales osciloscopio.................................................................................................... 80
Tabla 5.5. Asignación canales osciloscopio.................................................................................................... 81
Tabla 5.6. Asignación canales osciloscopio.................................................................................................... 82
Tabla 5.7. Asignación canales osciloscopio.................................................................................................... 83
Tabla 8.1. Listado materiales girador tipo G.................................................................................................. 94
Tabla 8.2. Listado materiales LFR Boost........................................................................................................ 95
Tabla 8.3. Listado materiales puente en H...................................................................................................... 95
Tabla 8.4. Listado materiales fuente de alimentación..................................................................................... 96
Tabla 8.5. Listado materiales MPPT............................................................................................................... 96
Tabla 8.6. Listado materiales referencia girador. .......................................................................................... 97
Tabla 8.7. Aplicación de precios girador tipo G............................................................................................. 98
Tabla 8.8. Aplicación de precios LFR Boost................................................................................................... 98
Tabla 8.9. Aplicación de precios puente H...................................................................................................... 99
Tabla 8.10. Aplicación de precios fuente de alimentación.............................................................................. 99
iii
Realización de un Ondulador Monofásico de Tipo Fotovoltaico.
ÍNDICE
Tabla 8.11. Aplicación de precios MPPT...................................................................................................... 100
Tabla 8.12. Aplicación de precios referencia girador................................................................................... 100
Tabla 8.13. Precio material prototipo ondulador. ........................................................................................ 100
Índice de figuras.
Figura 1.1. Evolución producción mundial de módulos fotovoltaicos 1975-2007. (Earth Policy Institute) ...... 1
Figura 1.2. Evolución coste medio mundial del módulo fotovoltaico por vatio producido. 1975-2007.
(Earth Policy Institute).................................................................................................................. 2
Figura 1.3. Representación esquemática del efecto fotoeléctrico en una célula solar. ..................................... 3
Figura 1.4. Relación tensión-corriente para diferentes niveles de radiación en el SP75/12. (Shell Solar)....... 5
Figura 1.5. Relación tensión-corriente para diferentes temperaturas en el SP75/12. (Shell Solar). ................. 6
Figura 1.6. Modelo módulo fotovoltaico............................................................................................................ 6
Figura 1.7. Circuito equivalente módulo fotovoltaico. ...................................................................................... 7
Figura 1.8. Circuito equivalente módulo fotovoltaico. ...................................................................................... 7
Figura 1.9. Relación tensión-corriente de circuito equivalente al módulo fotovoltaico. ................................... 8
Figura 1.10. Potencia de salida del circuito equivalente al módulo fotovoltaico para 1000 W/m2 y 25 ºC. ..... 8
Figura 1.11. Conexión eléctrica directa de un módulo con una carga. ............................................................. 9
Figura 1.12. Punto de trabajo del módulo fotovoltaico en función de la radiación y la carga. ........................ 9
Figura 1.13. Cargador de batería. ..................................................................................................................... 9
Figura 1.14. Potencia de salida del circuito equivalente al módulo fotovoltaico para 1000 W/m2 y 25 ºC. ... 10
Figura 1.15. Conexión a través de etapa adaptadora...................................................................................... 11
Figura 1.16. Representación de un convertidor DC/DC.................................................................................. 11
Figura 1.17. Implementación de la etapa adaptadora con una conversor DC/DC controlado por MPPT. .... 12
Figura 1.18. Representación de un convertidor DC/AC. ................................................................................. 12
Figura 1.19. Onda cuadrada junto a armónicos. ............................................................................................. 13
Figura 1.20. Tensión en la salida de un ondulador PWM................................................................................ 13
Figura 1.21. Tensión en la salida de un ondulador multinivel [9]................................................................... 14
Figura 2.1. Diagrama de bloques de sistema ondulador. ................................................................................ 15
Figura 2.2. Diagrama de bloques de sistema ondulador propuesto. [7] ......................................................... 16
Figura 2.3. Diagrama de bloques de sistema ondulador de n ramas............................................................... 17
Figura 2.4. Diagrama de bloques de un convertidor conmutado con características de LFR. [4] ................. 18
Figura 2.5. Esquema convertidor boost. [4] .................................................................................................... 18
Figura 2.6. Esquema simulado en PSIM del LFR boost. ................................................................................. 19
Figura 2.7. Esquema simulado en PSIM para comprobar el LFR boost. ........................................................ 19
Figura 2.8. Respuesta del LFR boost para una perturbación de 10 V en la entrada....................................... 20
Figura 2.9. Esquema simulado en PSIM para comprobar el seguimiento de la consigna R por el LFR
boost............................................................................................................................................ 21
Figura 2.10. Respuesta del LFR boost para referencia R variable.................................................................. 21
Figura 2.11. Respuesta del LFR boost para referencia R variable.................................................................. 22
Figura 2.12. Esquema simulado en PSIM para comprobar la respuesta para perturbaciones en el valor
de la resistencia conectada en la salida del LFR boost. ............................................................. 22
Figura 2.13. Respuesta para perturbaciones en el valor de la resistencia conectada en la salida del LFR
boost............................................................................................................................................ 23
Figura 2.14. Diagrama de bloques del sistema MPPT. [3] ............................................................................. 23
Figura 2.15. Esquema simulado en PSIM del MPPT....................................................................................... 24
Figura 2.16. Esquema simulado en PSIM para comprobar el MPPT.............................................................. 24
Figura 2.17. Esquema utilizado para simular el módulo fotovoltaico. ............................................................ 24
Figura 2.18. Respuesta del LFR con MPPT..................................................................................................... 25
Figura 2.19. Detalle de la respuesta del LFR con MPPT. ............................................................................... 26
Figura 2.20. Representación del girador tipo G. ............................................................................................. 26
Figura 2.21. Diagrama de bloques de un convertidor conmutado con característica de girador G. [1] ........ 27
Figura 2.22. Esquema convertidor buck con filtro de entrada. [1].................................................................. 27
Figura 2.23. Esquema del girador tipo G. ....................................................................................................... 28
Figura 2.24. Esquema simulado en PSIM para comprobarla respuesta del girador tipo G a
perturbaciones de tensión de entrada y a perturbaciones en la carga de salida........................ 29
Figura 2.25. Respuesta del girador tipo G....................................................................................................... 29
Figura 2.26. Diagrama de bloques del rectificador de puente completo. ........................................................ 30
iv
Realización de un Ondulador Monofásico de Tipo Fotovoltaico.
ÍNDICE
Figura 2.27. Esquema del rectificador de puente completo de precisión. ....................................................... 31
Figura 2.28. Esquema simulado en PSIM del girador tipo G con referencia senoidal rectificada positiva.... 31
Figura 2.29. Respuesta del girador con la referencia...................................................................................... 32
Figura 2.30. Esquema del puente en H. ........................................................................................................... 32
Figura 2.31. Funcionamiento del puente en H................................................................................................. 33
Figura 2.32. Esquema del puente en H. ........................................................................................................... 33
Figura 2.33. Esquema simulado en PSIM del girador tipo G con puente en H. .............................................. 34
Figura 2.34. Respuesta del puente en H conectado al girador tipo G. ............................................................ 34
Figura 2.35. Funcionamiento del transformador ideal.................................................................................... 35
Figura 2.36. Esquema simulado en PSIM del girador tipo G conectado a red con transformador................. 35
Figura 2.37. Respuesta del sistema conectado a red. ...................................................................................... 36
Figura 2.38. Esquema simulado en PSIM para comprobar el ondulador completo. ....................................... 37
Figura 2.39. Esquema de la nueva referencia para girador. ........................................................................... 37
Figura 2.40. Esquema del nuevo girador tipo G.............................................................................................. 38
Figura 2.41. Circuito equivalente módulo fotovoltaico. .................................................................................. 38
Figura 2.42. Detalle corrientes ondulador y red. ............................................................................................ 39
Figura 2.43. Respuesta del ondulador con perturbaciones en los paneles por temperatura y radiación........ 39
Figura 2.44. Detalle de la respuesta del ondulador con perturbaciones en los paneles por temperatura y
radiación..................................................................................................................................... 40
Figura 2.45. Esquema de modelado para el módulo fotovoltaico con perturbación noche-día. ..................... 40
Figura 2.46. Respuesta del ondulador con respuesta noche-día en los paneles. ............................................. 41
Figura 2.47. Detalle de la respuesta del ondulador con respuesta noche-día en los paneles. ........................ 42
Figura 3.1. Configuración módulos fotovoltaicos nº 1..................................................................................... 43
Figura 3.2. Configuración módulos fotovoltaicos nº 2..................................................................................... 43
Figura 3.3. Esquema del comparador con histéresis. ...................................................................................... 46
Figura 3.4. Respuesta del comparador con histéresis...................................................................................... 46
Figura 3.5. Esquema de la protección de sobretensión. .................................................................................. 47
Figura 3.6. Potencia disipada en función de la intensidad en directa para el diodo MBR1045...................... 49
Figura 3.7. Condensador y diodo de bootstrap usados por el driver del MOSFET en lado alto..................... 53
Figura 3.8. Encapsulado y diagrama del IRLIZ44N. ....................................................................................... 55
Figura 3.9. Transformador toroidal y esquema de conexiones........................................................................ 56
Figura 4.1. Diagrama secuencia de fases de construcción prototipo. ............................................................. 59
Figura 4.2. Esquema circuital del LFR basado en el convertidor boost.......................................................... 60
Figura 4.3. Esquema circuital del girador tipo G basado en el convertidor BIF. ........................................... 61
Figura 4.4. Esquema circuital del puente en H................................................................................................ 62
Figura 4.5. Esquema circuital del MPPT......................................................................................................... 63
Figura 4.6. Esquema circuital de la referencia para girador y puente en H. .................................................. 64
Figura 4.7. Esquema circuital de la fuente de alimentación............................................................................ 65
Figura 4.8. Distribución de los diferentes circuitos del ondulador. ................................................................ 66
Figura 4.9. Layout de componentes para el LFR. ............................................................................................ 67
Figura 4.10. Top layout para el LFR. .............................................................................................................. 67
Figura 4.11. Bottom layout para el LFR. ......................................................................................................... 68
Figura 4.12. Layout de componentes para el girador...................................................................................... 68
Figura 4.13. Top layout para el girador. ......................................................................................................... 69
Figura 4.14. Bottom layout para el girador. .................................................................................................... 69
Figura 4.15. Layout de componentes para el puente en H............................................................................... 70
Figura 4.16. Bottom layout para el puente en H. ............................................................................................. 70
Figura 4.17. Layout de componentes para el MPPT........................................................................................ 70
Figura 4.18. Top layout para el MPPT. ........................................................................................................... 71
Figura 4.19. Bottom layout para el MPPT....................................................................................................... 71
Figura 4.20. Layout de componentes para la referencia del girador............................................................... 71
Figura 4.21. Top layout para la referencia del girador................................................................................... 71
Figura 4.22. Bottom layout para la referencia del girador.............................................................................. 72
Figura 4.23. Layout de componentes para la fuente de alimentación.............................................................. 72
Figura 4.24. Top layout para la fuente de alimentación. ................................................................................. 72
Figura 4.25. Bottom layout para la fuente de alimentación............................................................................. 72
Figura 4.26. Montaje del LFR.......................................................................................................................... 73
Figura 4.27. Montaje del MPPT. ..................................................................................................................... 73
Figura 4.28. Montaje del girador tipo G.......................................................................................................... 74
Figura 4.29. Montaje de la referencia para el girador. ................................................................................... 74
v
Realización de un Ondulador Monofásico de Tipo Fotovoltaico.
ÍNDICE
Figura 4.30. Montaje del puente en H.............................................................................................................. 75
Figura 4.31. Ondulador completo con conexiones eléctricas entre los diferentes módulos. ........................... 75
Figura 5.1. Ondulador completo con conexiones eléctricas entre los diferentes módulos. ............................. 76
Figura 5.2. Funcionando el girador tipo G con un convertidor BIF. Vin_LFR_1 = 30 V, Iin_LFR_1 =
5,2 A, Rout,= 3 Ω.......................................................................................................................... 77
Figura 5.3. Funcionando el girador con un convertidor buck.Vin_LFR_1 = 30 V, Iin_LFR_1 = 5,2 A,
Rout,= 3 Ω.................................................................................................................................... 77
Figura 5.4. Funcionamiento del ondulador con carga constante, Rout,= 3 Ω, para Vin_LFR_1 = 30 V,
Iin_LFR_1 = 5,2 A...................................................................................................................... 77
Figura 5.5. Funcionamiento del ondulador con carga constante, Rout,= 3 Ω, para Vin_LFR_1 = 25 V,
Iin_LFR_1 = 4,2 A...................................................................................................................... 77
Figura 5.6. Funcionamiento del ondulador con carga constante, Rout,= 3 Ω, para Vin_LFR = 20 V,
Iin_LFR = 3,2 A.......................................................................................................................... 78
Figura 5.7. Funcionamiento del ondulador con carga constante, Rout,= 3 Ω, para Vin_LFR = 15V,
Iin_LFR = 2,2 A.......................................................................................................................... 78
Figura 5.8. Funcionamiento del ondulador con carga constante, Rout,= 3Ω, para Vin_LFR = 30V,
Iin_LFR =5,2A............................................................................................................................ 78
Figura 5.9. Funcionamiento del ondulador con carga constante, Rout,= 10 Ω, para Vin_LFR = 30 V,
Iin_LFR =5,2 A. La carga es demasiado grande y el girador no puede seguir la consigna. ..... 79
Figura 5.10. Funcionamiento del ondulador con carga variable, Rout,= 5 Ω – 2,5 Ω, Vin_LFR = 30 V,
Iin_LFR =5,2 A........................................................................................................................... 80
Figura 5.11. Funcionamiento del ondulador con carga variable, Rout,= 5 Ω – 2,5 Ω, Vin_LFR = 24,8 V,
Iin_LFR = 4 A............................................................................................................................. 80
Figura 5.12. Funcionamiento del ondulador con carga variable, Rout,= 5 Ω – 2,5 Ω, Vin_LFR = 14,5 V,
Iin_LFR =2 A.............................................................................................................................. 80
Figura 5.13. Funcionamiento del ondulador con tensión de entrada variable Vin_LFR = 15 V -30 V,
Rout,=3 Ω..................................................................................................................................... 81
Figura 5.14 Funcionamiento del ondulador con tensión de entrada variable Vin_LFR = 15 V -30 V,
Rout,=3 Ω..................................................................................................................................... 81
Figura 5.15. Funcionamiento de dos etapas LFR-Girador en paralelo con Rout,=3 Ω, Vin_LFR_1 = 30 V,
Iin_LFR_1 =5,2 A, Vin_LFR_2 = 0 V, Iin_LFR_2 =0 A............................................................ 82
Figura 5.16. Funcionamiento de dos etapas LFR-Girador en paralelo con Rout, = 3 Ω, Vin_LFR_1 = 0 V,
Iin_LFR_1 =0 A, Vin_LFR_2 = 22 V, Iin_LFR_2 =2,1 A.......................................................... 82
Figura 5.17. Funcionamiento de dos etapas LFR-Girador en paralelo con Rout,=3 Ω, Vin_LFR_1 = 14,5
V, Iin_LFR_1 =2 A, Vin_LFR_2 = 14,5 V, Iin_LFR_2 =2 A. .................................................... 82
Figura 5.18. Funcionamiento del ondulador conectado a red con Vin_LFR_1 = 30 V, Iin_LFR_1 =5,2 A,
Vin_LFR_2 = 0 V, Iin_LFR_2 =0 A. .......................................................................................... 83
Figura 5.19. Funcionamiento del ondulador conectado a red con Vin_LFR_1 = 0 V, Iin_LFR_1 =0 A,
Vin_LFR_2 = 22 V, Iin_LFR_2 =2,1 A. ..................................................................................... 83
Figura 5.20. Funcionamiento del ondulador conectado a red con Vin_LFR_1 = 14,5 V, Iin_LFR_1 =2 A,
Vin_LFR_2 = 14,5 V, Iin_LFR_2 =2 A. ..................................................................................... 84
Figura 6.1. Diferentes encapsulados through hole y SMD. ............................................................................. 85
Figura 6.2. Conexión directa a red sin transformador. ................................................................................... 86
Figura 6.3. Estructura del ondulador autónomo.............................................................................................. 86
Figura 6.4. Ondulador trifásico. ...................................................................................................................... 87
Figura 8.1. Topología de un BIF.................................................................................................................... 101
Figura 8.2. Representación genérica de la función (A4.9)............................................................................. 102
Figura 8.3. Región de estabilidad en función de RdCd. .................................................................................. 103
Figura 8.4. Algoritmo de diseño para Rd y Cd en un giradorRegión de estabilidad en función de RdCd...... 104
vi
Realización de un Ondulador Monofásico de Tipo Fotovoltaico.
CAPÍTULO I
1 Introducción.
1.1 Objetivos.
Los objetivos de este proyecto final de carrera son simular, construir y ensayar un
prototipo de ondulador monofásico de tipo fotovoltaico. El modelo final deberá trabajar
conectado a la red eléctrica, con una potencia de salida máxima alrededor de los 250W y
conseguir el máximo rendimiento de los paneles fotovoltaicos. Tomaremos como punto de
partida que la conformación del ondulador sea totalmente modular. Es decir, no se diseñará
un ondulador en su totalidad sino que se partirá de módulos independientes que se
adaptarán para que al unirlos se obtenga un ondulador con las características buscadas. El
ondulador resultante deberá permitir la conexión en paralelo de diferentes etapas de
potencia para poder ampliar la potencia entregada de manera modular y aprovechando la
circuitería común. Además, en la medida de lo posible el ondulador deberá permitir la
utilización de diversas fuentes de energía y obtener el mejor rendimiento posible en la
conversión energética.
1.2 Energía solar fotovoltaica.
La energía solar es una energía garantizada para 6.000 millones de años y sólo en
España sobre cada metro cuadrado de su suelo inciden al año unos 1.500 kilovatios-hora de
energía. Entre otros, por estos motivos en los últimos años se ha experimentado un notable
crecimiento en la utilización de la energía fotovoltaica, con ello se abre un nuevo ámbito
para el desarrollo de tecnologías específicas en este campo, en las que la electrónica es
básica para la optimización y aprovechamiento de los recursos energéticos disponibles.
Producción Mundial de Módulos Fotovoltaicos
4000
3500
2500
2000
1500
1000
500
Figura 1.1. Evolución producción mundial de módulos fotovoltaicos
1975-2007. (Earth Policy Institute)
1
07
05
03
01
99
97
95
93
Año
20
20
20
20
19
19
19
91
19
87
85
83
81
79
77
89
19
19
19
19
19
19
19
19
75
0
19
Megavatios
3000
Realización de un Ondulador Monofásico de Tipo Fotovoltaico.
CAPÍTULO I
En cuanto a la energía solar fotovoltaica el crecimiento ha sido espectacular (figura
1.1), doblando la producción de módulos producidos cada dos años, incrementándose una
media del 48% cada año desde 2002. A finales del año 2007, de acuerdo con los datos
preliminares se puede hablar de una producción mundial acumulada de 12.400 megavatios.
Este espectacular crecimiento se debe a diversos factores, entre ellos las políticas de
subvención por parte de los estados, en el caso de España, el R.D. 661/2007, establece un
precio de 0,44 €/kWh para instalaciones de menos de 100 kWp (kW de pico) durante los
primeros 25 años y de 0.35 €/kWp a partir de entonces. Otro factor es la reducción del
coste de los módulos fotovoltaicos que hace de las instalaciones solares fotovoltaicas una
inversión más rentable.
Coste Medido Mundial de Módulo Fotovoltaico por Vatio Producido
Coste(2007 Dolar U.S.) por Vatio
120
100
80
60
40
20
19
75
19
77
19
79
19
81
19
83
19
85
19
87
19
89
19
91
19
93
19
95
19
97
19
99
20
01
20
03
20
05
0
Año
Figura 1.2. Evolución coste medio mundial del módulo fotovoltaico por
vatio producido. 1975-2007. (Earth Policy Institute)
En el campo de aplicación de la energía solar fotovoltaica, existen dos bloques
básicos, las instalaciones fotovoltaicas de conexión a red y las instalaciones fotovoltaicas
autónomas. Por un lado, los sistemas solares fotovoltaicos de conexión a red que no son
más que centrales fotovoltaicas de producción de energía eléctrica conectadas a la red
general. Este sistema ha revolucionado el campo de aplicación de la energía solar
fotovoltaica, ya que bajo planes estratégicos de ámbito mundial se ha promovido la
proliferación de minicentrales fotovoltaicas que ocupan básicamente espacios urbanos
infrautilizados con buen nivel de radiación, acercando así la generación de energía limpia a
los puntos de consumo.
Por otro lado, históricamente los sistemas solares fotovoltaicos han sido utilizados
como sistemas energéticos para aplicaciones remotas, aisladas de la red de suministro. En
la actualidad la principal aplicación de los sistemas fotovoltaicos autónomos se ha centrado
en el ámbito rural, especialmente para cubrir la demanda energética de viviendas o
poblaciones aisladas.
2
Realización de un Ondulador Monofásico de Tipo Fotovoltaico.
CAPÍTULO I
Este tipo de aplicación, contrariamente a lo que pudiera parecer, esta en plena
expansión, especialmente en zonas donde el déficit de electrificación todavía es importante
como es el caso de las zonas rurales de España, país donde en la actualidad las
instalaciones solares fotovoltaicas autónomas, superan en número y potencia a las de
conexión a la red.
Otra aplicación futura podría estar en la ‘tecnología del hidrógeno’, utilizando la
energía solar para obtener hidrógeno con el que alimentar las ‘pilas de combustible’,
actualmente en desarrollo.
1.3 Características del módulo fotovoltaico.
La conversión fotovoltaica se basa en el efecto fotoeléctrico, es decir, en la conversión
de la energía lumínica proveniente del sol en energía eléctrica. Para llevar a cabo esta
conversión se utilizan unos dispositivos denominados células solares, constituidos por
materiales semiconductores en los que artificialmente se ha creado un campo eléctrico
constante (mediante una unión p-n).
Cuando sobre un semiconductor incide una radiación luminosa con energía suficiente
para romper los enlaces de los electrones de valencia y generar pares electrón-hueco, la
existencia de una unión p-n separa dichos pares, afluyendo electrones a la zona n y huecos
a la zona p, creando, en resumen, una corriente eléctrica que atraviesa la unión desde la
zona n a la p, y que puede ser entregada a un circuito exterior (saliendo por la zona p y
entrando por la n). De esta manera, cuando se expone una célula solar a la luz del sol se
hace posible la circulación de electrones y la aparición de corriente eléctrica entre las dos
caras de la célula.
Figura 1.3. Representación esquemática del efecto fotoeléctrico en
una célula solar.
Las células solares se componen esencialmente de silicio y otros aditivos. En función
del tipo de aditivos o dopantes se añadan y la estructura final que tome el silicio se podrán
distinguir entre tres tipos de células.
3
Realización de un Ondulador Monofásico de Tipo Fotovoltaico.
CAPÍTULO I
1.3.1 Silicio monocristalino.
El material de silicio caracterizado por una disposición ordenada y periódica de átomo,
de forma que sólo tiene una orientación cristalina, es decir, todos los átomos están
dispuestos simétricamente. sc-Si (single crystal). Presentan un color azulado oscuro y con
un cierto brillo metálico. Alcanzan rendimientos de hasta el 17%.
1.3.2 Silicio policristalino.
El silicio depositado sobre otro sustrato, como una capa de 10-30 micrómetros y
tamaño de grano entre 1 micrómetro y 1 mm. Las direcciones de alineación van cambiando
cada cierto tiempo durante el proceso de deposición. Alcanzan rendimientos de hasta el
12%.
1.3.3 Silicio amorfo.
El silicio amorfo es un compuesto hidrogenado de silicio, no cristalino. No existe
estructura cristalina ordenada, y el silicio se ha depositado sobre un soporte transparente en
forma de una capa fina. Presentan un color marrón y gris oscuro. Las células de silicio
amorfo (no cristalino) parecen tener unas perspectivas de futuro muy esperanzadoras. Esta
tecnología permite disponer de células de muy delgado espesor y fabricación más simple y
barata, aunque con eficiencia del 6-8%. Su principal campo de aplicación en la actualidad
se encuentra en la alimentación de relojes, calculadoras, etc. Son muy adecuadas para
confección de módulos semitransparentes empleados en algunas instalaciones integradas
en edificios
También se utilizan semiconductores compuestos (GaAs, CdTe, InP, etc.). Dado que
diferentes materiales responden a diferentes longitudes de onda, una esta manera se puede
aumentar la eficiencia al utilizar varias capas de materiales diferentes.
1.4 Características eléctricas de los módulos fotovoltaicos.
Las características eléctricas principales que se tienen en cuenta a la hora de elegir un
módulo fotovoltaico son las siguientes:
Corriente de cortocircuito Æ I SC
Tensión de circuito abierto Æ VOC
Potencia máxima en punto de máxima potencia Æ PMAX
Intensidad máxima en punto de máxima potencia Æ I MAX
Tensión máxima en punto de máxima potencia Æ VMAX
Estas características marcarán el comportamiento del panel en circuito abierto,
cortocircuito y trabajando a máxima potencia. Existen otros parámetros como la influencia
de la temperatura sobre el módulo fotovoltaico o la máxima tensión de aislamiento.
4
Realización de un Ondulador Monofásico de Tipo Fotovoltaico.
CAPÍTULO I
Aunque existe una gran variedad de módulos fotovoltaicos en el mercado sólo vamos a
estudiar un pequeño grupo de ellos. En este proyecto se utilizarán módulos de 12 V con
una potencia de 85 W y por este motivo nos centraremos en esta gama de paneles para
profundizar más sobre sus características.
A continuación, tenemos una tabla comparativa de diferentes modelos de paneles con
una potencia entorno de los 85 W y 12 V donde se muestran las características eléctricas y
mecánicas más destacadas.
Fabricante
Modelo
PMAX (Wp)
IMAX (A)
VMAX(V)
ISC(A)
VOC(V)
Alto(mm)
Ancho(mm)
Prof.(mm)
Kyocerasolar
KC85T
87
5,02
17,4
5,34
21,7
1007
652
36
Ikarus
IK85
85
5,10
16,7
5,38
21
1445
580
34
Suntech
STP085-12/B
85
4,82
17,6
5
21,6
1196
534
35
BP Solar Isofotón
BP585S IS-75/12
85
75
4,72
4,34
18
17,3
5
4,67
22,1
21,6
1209
1224
537
545
36
39,5
Astro-Power
APX-90
90
5,20
17,3
5,8
21,9
1633
660
35
Tabla 1.1. Comparativa de módulos fotovoltaicos de diferentes
fabricantes en el mismo rango de potencia.
Observando, de forma general, para una potencia de 85 W tendremos que la tensión y
la intensidad de trabajo en el punto de máxima potencia tomarán un valor de 5 A y la
tensión 17 V respectivamente. Estos valores se tendrán en cuenta a la hora de modelar el
módulo fotovoltaico y para diseñar el ondulador.
Figura 1.4. Relación tensión-corriente para diferentes niveles de
radiación en el SP75/12. (Shell Solar)
5
Realización de un Ondulador Monofásico de Tipo Fotovoltaico.
CAPÍTULO I
Además de los valores máximos que toma el módulo también se deberá tener en
cuenta el comportamiento dinámico de los módulos fotovoltaicos. En las figuras 1.4 y 1.5
podemos observar la relación tensión-corriente en función de la radiación y de la
temperatura. Estas características variarán de un módulo ha otro pero el comportamiento
básico es el mismo para todos lo módulos.
Figura 1.5. Relación tensión-corriente para diferentes temperaturas en el
SP75/12. (Shell Solar).
1.5 Modelo del módulo fotovoltaico.
Para poder realizar simulaciones donde intervengan módulos fotovoltaicos se deberá
encontrar un modelo que represente de la manera más precisa el comportamiento de los
módulos. El esquema eléctrico que representa el módulo fotovoltaico es el siguiente:
Figura 1.6. Modelo módulo fotovoltaico.
Idc representa la corriente de cortocircuito de la célula, Rs la resistencia de los
contactos y conexiones, Rp representa la resistencia a las corrientes de fuga. El diodo
representa la unión PN de la célula, cuya expresión general describe la ecuación 1.1, donde
Isat = corriente de saturación, Id = corriente en al unión, Vd = tensión en la unión, Vt=K·T/e.
6
Realización de un Ondulador Monofásico de Tipo Fotovoltaico.
CAPÍTULO I
⎡ ⎛⎜⎜ Vd ⎞⎟⎟ ⎤
kV
I d = I sat ·⎢e ⎝ t ⎠ − 1⎥
(1.1)
⎢
⎥
⎣
⎦
Para conseguir un modelo con las características tensión-corriente vistas anteriormente
se utilizará el circuito de la figura siguiente:
Figura 1.7. Circuito equivalente módulo fotovoltaico.
Para el elemento no lineal, se ha utilizado una función i = f(v) según la ecuación 1.2.
[
]
I d = 1−10 · e (V ) − 1
(1.2)
Para añadir el efecto que puede causar un cambio de temperatura o un cambio en el
nivel de irradiación que incide en el módulo se han añadido dos perturbaciones al esquema
anterior.
Irradiación
Temperatura
Figura 1.8. Circuito equivalente módulo fotovoltaico.
Existen características como el comportamiento dinámico en alta frecuencia de la
unión PN que no se tiene en cuenta en el modelo. Aunque el modelo no sea del todo
perfecto para poder comprobar el funcionamiento del ondulador ya nos servirá. Para
comprobar la validez del modelo propuesto se realizara una simulación.
En la figura 1.9 tenemos los resultados de la simulación, los diferentes trazados
corresponden a las situaciones siguientes:
Línea de puntos: Irradiación = 1000 W/m2, temperatura = 25 ºC.
Línea con círculos: Irradiación = 650 W/m2, temperatura = 25 ºC.
Línea con cuadrados: Irradiación = 1000 W/m2, temperatura = 65 ºC.
Como podemos ver el comportamiento del módulo fotovoltaico bajo las diferentes
perturbaciones de radiación y temperatura, coincide con las curvas vistas para los paneles
comerciales. Por lo tanto, damos por válido el modelo para los módulos que utilizaremos
en este proyecto.
7
Realización de un Ondulador Monofásico de Tipo Fotovoltaico.
CAPÍTULO I
Intensidad (A)
1000
650
65
25
Tensión (V)
Figura 1.9. Relación tensión-corriente de circuito equivalente al módulo
fotovoltaico.
Tensión (V)
Figura 1.10. Potencia de salida del circuito equivalente al módulo
fotovoltaico para 1000 W/m2 y 25 ºC.
8
Realización de un Ondulador Monofásico de Tipo Fotovoltaico.
CAPÍTULO I
1.6 Acoplamiento de los módulos fotovoltaicos a una carga.
Como hemos visto la característica tensión intensidad de los módulos fotovoltaicos
varía considerablemente con las condiciones del entorno. Parámetros como la radiación
solar, la temperatura e incluso la carga conectada al módulo harán variar su punto de
trabajo. Por tanto, conseguir que el panel trabaje en su punto de trabajo óptimo no será
tarea fácil.
1.6.1 Conexión directa al módulo fotovoltaico.
En la siguiente figura se muestra el caso más sencillo de conexión entre un módulo
fotovoltaico y una carga resistiva o una batería.
Ipv
Panel
FV
Vpv
Carga
Figura 1.11. Conexión eléctrica
directa de un módulo con una carga.
Figura 1.12. Punto de trabajo del módulo fotovoltaico
en función de la radiación y la carga.
Como se puede ver según el valor de la resistencia de carga se trabajará a un nivel u
otro de potencia que además variará con el nivel de radiación solar. Sólo los puntos
marcados con una estrella son las zonas donde el panel fotovoltaico entrega la máxima
potencia. En el caso de que el módulo fotovoltaico trabaje sobre una batería, esta última
marca el valor de la tensión de trabajo del módulo. El punto donde corta con la
característica del panel, representados con círculos, tampoco será el punto de máxima
potencia que podría entregar el panel, además según el nivel de carga de la batería variará
la tensión en sus bornes lo cual modificará el punto de trabajo del módulo fotovoltaico.
Si ponemos un ejemplo práctico de la conexión de un módulo fotovoltaico con una
batería, se verá claramente como influye la tensión de la batería con el punto de trabajo del
panel fotovoltaico. Supongamos el panel modelado en el apartado anterior trabajando con
una radiación de 1000W/m2 a 25ºC conectado a través de un diodo a una batería 12V.
Ipv
Panel
FV
Vbat
Vpv
Figura 1.13. Cargador de batería.
9
Realización de un Ondulador Monofásico de Tipo Fotovoltaico.
CAPÍTULO I
En un primer momento la batería esta descargada y tiene en bornes una tensión de
11 V, cuando la batería esta a punto de conseguir su máxima carga la tensión en sus bornes
es de 14 V. Estos dos estados expuestos para la batería se traducen en dos puntos diferentes
de trabajo para el panel, punto 1 y punto 2 respectivamente.
Punto de máxima potencia
Punto 2
Punto 1
Tensión (V)
Figura 1.14. Potencia de salida del circuito equivalente al módulo
fotovoltaico para 1000 W/m2 y 25 ºC.
El rendimiento que obtendríamos por el cargador de batería fotovoltaico planteado se
puede expresar de la siguiente manera:
η=
Vbat ·I bat
Pbat
·100 =
·100
V pv _ MPP ·I pv _ MPP
Ppv _ MPP
(1.3)
donde,
Vbat y I bat son la tensión y la intensidad de carga de la batería.
V pv _ MPP y I pv _ MPP son la tensión y la intensidad del módulo fotovoltaico en
el punto de máxima potencia.
Si calculamos el rendimiento que tenemos en el cargador de batería para los dos
puntos de trabajo, omitiendo las perdidas del diodo, obtenemos lo siguiente:
Punto de trabajo
Punto 1
Punto 2
Punto de máxima potencia
Tensión(V) Potencia(W)
11
55,48
14
69,91
18
86,95
Rendimiento (%)
63,8
80,4
100
Tabla 1.2. Comparativa de rendimientos según el punto de trabajo.
10
Realización de un Ondulador Monofásico de Tipo Fotovoltaico.
CAPÍTULO I
1.6.2 Etapa de adaptación entre módulo fotovoltaico y carga.
Para conseguir optimizar la transferencia de potencia entre módulo fotovoltaico y la
carga conectada se deberá implementar un circuito que permita trabaja a ambos en
condiciones óptimas. Es decir, el módulo fotovoltaico deberá trabajar en un punto de
trabajo que le permita producir la máxima potencia.
En la siguiente figura vemos un esquema en el que se coloca una etapa adaptadora
entre el módulo y la carga.
Ipv
Panel
FV
Ic
Vpv
Etapa
Adaptadora
Carga
Vc
Figura 1.15. Conexión a través de etapa adaptadora.
Las tensiones e intensidades que aparecen podrán ser diferentes las unas de las otras
siempre y cuando se cumpla la condición:
Ppv _ MAX = Ppv = Pc
(1.4)
Es decir, la potencia en la entrada y la salida de la etapa adaptadora ha de ser la misma
y a su vez tendrán que ser iguales que la potencia máxima que puede entregar el módulo
fotovoltaico. La solución más apropiada para conseguir esta etapa adaptadora será un
convertidor DC/DC que adaptará su impedancia de entrada para conseguir que el panel
trabaje en su punto de máxima potencia.
Por convertidor DC/DC se entiende un circuito que electrónico de potencia que
convertirá una tensión continua en otro nivel de tensión continua. El circuito utilizado
habitualmente para implementar este convertidor será el convertidor conmutado. El
convertidor conmutado se forma a partir de elementos almacenadores de energía, bobinas y
condensadores, más interruptores electrónicos. En función de la combinación que hagamos
de los elementos básicos obtendremos diferentes topologías de convertidor conmutado.
Cada topología tendrá unas propiedades diferentes que marcarán las características de cada
convertidor.
I2
I1
+
V2
-
+
V1
Consigna
Figura 1.16. Representación de un convertidor DC/DC.
11
Realización de un Ondulador Monofásico de Tipo Fotovoltaico.
CAPÍTULO I
El convertidor DC/DC recibirá la consigna de trabajo desde un control basado en el
seguimiento del punto de máxima potencia (MPPT). Éste observará el funcionamiento del
módulo fotovoltaico constantemente adaptando la consigna dada al conversor DC/DC en
función de la potencia máxima que pueda generar el módulo.
Ipv
Panel
FV
Ic
Conversor
DC/DC
Vpv
Vc
Carga
Control
MPPT
Figura 1.17. Implementación de la etapa adaptadora con una conversor
DC/DC controlado por MPPT.
1.7 Conversión de la energía solar fotovoltaica a corriente alterna.
Aunque existen aplicaciones que funcionan con corriente continua y pueden ser
alimentadas directamente de los paneles fotovoltaicos, no es lo habitual. Normalmente,
deberemos convertir la corriente continua procedente de los módulos a corriente alterna
que es más común para el uso en las cargas eléctricas. Particularmente, en este proyecto la
conversión a corriente alterna es obligada puesto que se trata de incorporar la energía de
los módulos fotovoltaicos a la red eléctrica. De la conversión de corriente continua a
corriente alterna se encarga el ondulador o inversor. Además, del tipo de ondulador,
autónomo o de conexión a red, otros factores importantes de los onduladores serán: el tipo
de onda que generan, potencia, tensión, frecuencia y distorsión de la señal de salida al igual
que también será importante el rendimiento conseguido por la unidad. A continuación, se
describen brevemente los onduladores más conocidos.
I2
I1
+
V1
-
Conversor
DC/AC
+
V2
-
Figura 1.18. Representación de un convertidor DC/AC.
1.7.1 Inversor de onda cuadrada.
Este tipo de inversores son los más sencillos y únicamente regulan la tensión, e
invierten periódicamente el sentido de la corriente sobre la carga. Son los más económicos,
pero también lo menos eficientes, ya que producen gran cantidad de armónicos, que
producen elevada distorsión armónica e interferencias electromagnéticas.
12
Realización de un Ondulador Monofásico de Tipo Fotovoltaico.
CAPÍTULO I
Este tipo de convertidores está actualmente en desuso y sólo es adecuado para cargas
de pequeña potencia, aunque ciertos dispositivos electrónicos no admiten este tipo de
forma de onda para su funcionamiento.
Figura 1.19. Onda cuadrada junto a armónicos.
1.7.2 Inversor con modulación de anchura de pulso (PWM).
Este tipo de inversores es un poco más sofisticado que el anterior. La anchura de los
pulsos de salida se va modificando a lo largo del ciclo para acercarse a la forma de onda
sinusoidal. La onda de salida tampoco es una sinusoidal pura, pero el contenido de
armónicos es mucho menor que en los de onda cuadrada y tienen un rendimiento bastante
elevado. Este tipo de onduladores son los más extendidos actualmente.
Figura 1.20. Tensión en la salida de un ondulador PWM.
13
Realización de un Ondulador Monofásico de Tipo Fotovoltaico.
CAPÍTULO I
1.7.3 Inversor multinivel.
Los inversores multinivel son inversores de última tecnología que pueden generar
corrientes o incluso voltajes sinusoidales con mucho menor contenido armónico que los
inversores convencionales. Si el número de niveles es lo suficientemente alto, se puede
obtener un voltaje y corriente casi perfecto. La tecnología multinivel permite generar
señales de corriente y voltaje de mejor calidad que las obtenidas con técnicas de
modulación por ancho de pulso aunque son mucho más complejos.
A medida que el coste de estos convertidores se acerque a los de onda modulada en
anchura de pulso se espera que su uso se popularice. En la siguiente figura se puede
observar como según vamos aumentando el número de niveles se consigue una señal
senoidal más perfecta.
Figura 1.21. Tensión en la salida de un ondulador multinivel [9].
14
Realización de un Ondulador Monofásico de Tipo Fotovoltaico.
CAPÍTULO II
2 Estructura Propuesta.
El objetivo de este proyecto es construir un ondulador monofásico de tipo fotovoltaico
para realizar la conexión a red de diversos módulos fotovoltaicos. Tomaremos para su
diseño los siguientes criterios: construcción modular del ondulador, aprovechamiento
máximo de los módulos fotovoltaicos, posibilidad de la conexión en cascada de las etapas
de potencia y realización de la conversión energética con el mayor rendimiento posible.
Todas estas características se plasmarán en un ondulador cuyo funcionamiento se puede
dividir en tres etapas.
En la figura 2.1 se muestra la estructura del ondulador monofásico de tipo fotovoltaico
conectado a red y se identifican las 3 etapas.
V1
V2
IAC
I1
t
t
I1
Panel
FV
+
V1
-
IAC
Conversor
DC/DC
+
V2
-
Red
Eléctrica
Conversor
DC/AC
MPPT
ETAPA 1
ETAPA 2
ETAPA 3
Figura 2.1. Diagrama de bloques de sistema ondulador.
En la primera etapa se buscará el punto de trabajo de máxima potencia del módulo
fotovoltaico, es decir, se adaptará la impedancia de entrada del ondulador para que el
módulo fotovoltaico trabaje en el punto óptimo. En la segunda etapa se creará una
corriente senoidal que estará sincronizada con la señal de red con un convertidor DC/AC.
Posteriormente en la última etapa, la corriente senoidal será inyectada a la red mediante un
transformador que dotará al sistema de aislamiento y adaptación de tensiones.
El conversor DC/DC de la entrada se comportará como un de resistor libre de pérdidas
en ingles “Lost Free Resistor” (LFR) el cual emulará en sus terminales de entrada una
resistencia de valor variable. Este elemento recibirá la consigna de la resistencia que debe
emular del circuito de control seguidor de punto de máxima potencia en inglés “Maximum
Power Point Track” (MPPT). El MPPT variará la consigna de resistencia en función de las
lecturas de tensión e intensidad entregadas por el módulo fotovoltaico, buscando que la
potencia extraída del módulo fotovoltaico sea siempre la máxima.
El convertidor DC/AC se encarga de convertir la corriente continua en corriente
alterna. Para realizar esta conversión se usa un convertidor DC/DC basado en un girador de
potencia tipo G que creará un corriente senoidal rectificada. Esta corriente se convertirá en
15
Realización de un Ondulador Monofásico de Tipo Fotovoltaico.
CAPÍTULO II
una corriente alterna mediante un puente H que irá invirtiendo periódicamente los
semiperiodos de la señal alterna.
En la siguiente figura se muestra la configuración del ondulador en el caso de dos
fuentes independientes de energía. Cada fuente alimenta una etapa LFR-girador
independiente que se conectan en paralelo. La conexión en paralelo es posible gracias a la
utilización de giradores de tipo G que ofrecen en su salida una corriente controlada. Por
tanto, al tener una fuente de corriente serán fácilmente paralelizables sumando el aporte de
corriente de cada girador.
V11
V21
IAC
IG1
I11
t
IAC
IG1
I11
Panel
FV
1
t
t
+
V11
-
LFR
+
V21
-
Puente
H
Girador
Red
Eléctrica
MPPT
Rectificador
V12
IG2
V22
I12
t
t
IG2
I12
Panel
FV
2
+
V12
-
LFR
+
V22
-
Girador
MPPT
Figura 2.2. Diagrama de bloques de sistema ondulador propuesto. [7]
El caso propuesto para el desarrollo del prototipo de este proyecto sólo supone dos
fuentes de energía, pero el ondulador podrá soportar tantas etapas de potencia conectadas
en paralelo como se deseen, con la única limitación en la potencia máxima que puedan
admitir el puente en H y el transformador. En la figura 2.3 se muestra el diagrama de
bloques del ondulador alimentado con n módulos fotovoltaicos que alimentan n etapas
LFR-girador que se conectan en paralelo a un mismo puente H y transformador.
16
Realización de un Ondulador Monofásico de Tipo Fotovoltaico.
Panel
FV
1
LFR
Girador
CAPÍTULO II
Red
Eléctrica
Puente
H
MPPT
Rectificador
I2
I3
In-1
In
Panel
FV
n
LFR
Girador
MPPT
Figura 2.3. Diagrama de bloques de sistema ondulador de n ramas.
2.1 Resistor libre de pérdidas basado en el convertidor boost.
El primer módulo que encontramos en la entrada del ondulador es un conversor
DC/DC. Concretamente, es un resistor libre de pérdidas o en inglés “Lost Free Resistor”
(LFR) basado en un convertidor conmutador de tipo elevador o boost. El LFR es un
bipuerto que, como el transformador o el girador de corriente continua, pertenece a la clase
de circuito denominador POPI ( power output = power input). La impedancia de entrada en
DC de un LFR es una resistencia. Esta característica tiene numerosas aplicaciones y en
nuestro caso una muy interesante, podemos adaptar la impedancia de entrada del
convertidor de forma que el punto de trabajo del módulo fotovoltaico sea el punto de
máxima potencia.
Las ecuaciones por las que se rige en régimen estacionario el LFR son las siguientes:
V1= r·I1
V1·I1 = V2·I2
(2.1)
(2.2)
En las ecuaciones anteriores, I 1 e I 2 son los valores medios de las corriente de
entrada y de salida respectivamente. De manera similar, V1 y V2 representan los
correspondientes valores medios de tensión en la entrada y en la salida. En la figura 2.4 se
muestra el diagrama de bloques del LFR controlado por un lazo de control en modo
deslizamiento. La superficie de este lazo es la siguiente:
17
Realización de un Ondulador Monofásico de Tipo Fotovoltaico.
S(x)=V1 - r·I1
CAPÍTULO II
(2.3)
Se observa que en régimen estacionario S(x) = 0 y se cumplirá V1= r·I1 y puesto que el
convertidor es una estructura de tipo POPI la ecuación 2.2 también se cumplirá.
Figura 2.4. Diagrama de bloques de un convertidor conmutado con
características de LFR. [4]
En la figura 2.4 se muestra el diagrama de bloques de LFR y en la figura 2.5 el
esquema del convertidor boost que sustituye al convertidor genérico recuadrado en línea de
puntos de la figura 2.4.
Figura 2.5. Esquema convertidor boost. [4]
El análisis del convertidor boost controlado por deslizamiento nos muestra que el
sistema es estable y tiene la siguiente ecuación característica. [4]
2 ⎞
⎛
⎜s +
⎟=0
RC ⎠
⎝
(2.4)
18
Realización de un Ondulador Monofásico de Tipo Fotovoltaico.
CAPÍTULO II
2.1.1 Simulación del LFR Boost.
En el siguiente esquema tenemos la configuración del LFR implementado con un
convertidor boost. El control del interruptor será en modo deslizante o sliding y se
constituirá por un comparador con histéresis. Además se incorporará un sistema de
protección contra sobretensiones en la salida del LFR formado por un zener, un transistor y
una resistor. Este sistema de protección será de vital importancia para evitar que la tensión
en la salida del LFR sobrepase la tensión máxima de funcionamiento del diodo, el
MOSFET o del condensador C2 evitando, de esta manera, que se destruyan. El
condensador conectado en la salida del LFR servirá para estabilizar la tensión de salida, su
valor elevado permitirá al LFR desacoplar mejor la fuente de alimentación de la carga
conectada en sus terminales de salida.
Filtro de entrada
Convertidor Boost
Protección
sobretensiones
Multiplicador
analógico
Comparador con
histéresis
Figura 2.6. Esquema simulado en PSIM del LFR boost.
Para comprobar el correcto funcionamiento del LFR se simulará su comportamiento
conectando su entrada a una fuente de tensión variable y su salida a un resistor de 10 Ω. La
resistencia que emulará en sus terminales de entrada será fija y de valor 4 Ω. Los
parámetros de la simulación son los siguientes: Vin = 20 V, C1 = 20 μF, L1 = 170 μH, C2 =
20 mF, R = 4 Ω, Rout = 10 Ω. El circuito empleado para la simulación del LFR es el
siguiente:
Figura 2.7. Esquema simulado en PSIM para comprobar el LFR boost.
19
Realización de un Ondulador Monofásico de Tipo Fotovoltaico.
CAPÍTULO II
En la siguiente gráfica tenemos la tensión e intensidad en la salida del LFR y de la
fuente de alimentación respectivamente, en la tabla 2.1 se pueden ver los valores
numéricos para cada situación.
V_LF
I_LFR_Out
Vin
Iin
Figura 2.8. Respuesta del LFR boost para una perturbación de 10 V en
la entrada.
Intervalo
Tiempo(s)
0,00 - 0,20
0,20 - 0,25
0,30 - 0,35
0,35 – 0,80
Tensión
entrada (V)
20,0
10,0
20,0
20,0
Intensidad
entrada (A)
5,0
2,5
5,0
5,0
Resistencia
entrada LFR (Ω)
4
4
4
4
Tabla 2.1. Resistencia de entrada para el LFR.
La resistencia que emula el LFR son los 4 Ω esperados y vemos como se adapta
perfectamente a las perturbaciones de la tensión de entrada.
Seguidamente realizaremos otra simulación en la que la tensión de entrada será fija
pero la consigna de resistencia ha emular por el LFR será variable en el tiempo. Los
parámetros de la simulación son los siguientes: Vin = 20 V, C1 = 20 μF, L1 = 170 μH, C2 =
20 mF, Rout = 10 Ω. En la siguiente figura se muestra el circuito empleado en la
simulación.
20
Realización de un Ondulador Monofásico de Tipo Fotovoltaico.
CAPÍTULO II
Figura 2.9. Esquema simulado en PSIM para comprobar el seguimiento
de la consigna R por el LFR boost.
En los resultados obtenidos se puede ver como la resistencia vista desde los terminales
de entrada en el LFR sigue perfectamente a la referencia.
V_LFR_Out
I_LFR_Out
Vin
Iin
Figura 2.10. Respuesta del LFR boost para referencia R variable.
La tensión salida del LFR está tan amortiguada debido al condensador C2 que por su
gran capacidad suaviza la evolución de la tensión de salida en el LFR. Por lo que respecta a
la intensidad de salida describe la forma de una función del tipo f (t ) = k / t , respuesta que
era de esperar al utilizar como consigna R del LFR una señal con forma de rampa.
En la siguiente figura se mostrará el valor calculado de la impedancia de entrada y de
salida del LFR además del valor introducido como consigna R al LFR. Como se puede ver
la impedancia de entrada del LFR coincide con la consiga R dada en cada momento.
21
Realización de un Ondulador Monofásico de Tipo Fotovoltaico.
CAPÍTULO II
V_LFR_Out/I_LFR_Out
Vin/Iin
R
Figura 2.11. Respuesta del LFR boost para referencia R variable.
A continuación, verificaremos el funcionamiento del LFR con una perturbación en el
valor de la resistencia de salida. Inicialmente el resistor conectado en la salida valdrá 10 Ω
y al cabo de 250 ms pasará a valer 5Ω. Los parámetros de la simulación son los siguientes:
Vin = 20 V, C1 = 20 μF, L1 = 170 μH, C2 = 20 mF, R = 4 Ω.
Figura 2.12. Esquema simulado en PSIM para comprobar la respuesta
para perturbaciones en el valor de la resistencia conectada en la salida
del LFR boost.
Como se puede ver en la figura siguiente el funcionamiento del sistema sigue siendo
correcto, manteniendo en todo momento el valor de la resistencia en los terminales de
entrada.
22
Realización de un Ondulador Monofásico de Tipo Fotovoltaico.
CAPÍTULO II
Vin
Iin
V_LFR_Out
Rout
I_LFR_Out
Figura 2.13. Respuesta para perturbaciones en el valor de la resistencia
conectada en la salida del LFR boost.
2.2 Seguimiento del punto de máxima potencia (MPPT)
Como hemos visto el LFR se encarga de adaptar la impedancia de entrada del
ondulador. En el caso anterior, la consigna dada al LFR era fija pero como se vio en las
características de los módulos fotovoltaicos, no se obtendrá la máxima potencia con una
resistencia fija. Según las características de temperatura y sobretodo de irradiación solar la
impedancia en DC vista por el módulo fotovoltaico se deberá ajustar, por lo tanto, la
consigna del LFR deberá variar consecuentemente.
El módulo encargado de variar la consigna del LFR será el MPPT el cual monitorizará
constantemente la potencia que entrega el módulo fotovoltaico y buscará el punto de
máxima potencia. Básicamente el MPPT observará la derivada de la potencia que entrega
el módulo fotovoltaico y variará la consigna dada con el siguiente criterio: si la derivada de
la potencia (g) crece se mantiene el signo del incremento de la consigna (ε) y si la derivada
decrece se invierte el signo del incremento de la consigna. En la siguiente figura tenemos
un diagrama de bloques del MPPT.
Figura 2.14. Diagrama de bloques del sistema MPPT. [3]
23
Realización de un Ondulador Monofásico de Tipo Fotovoltaico.
CAPÍTULO II
2.2.1 Simulación del MPPT.
El esquema para el MPPT de la figura 2.15 implementa el algoritmo de control para la
búsqueda del extremo visto anteriormente. De izquierda a derecha tenemos en primer lugar
el multiplicador analógico que encuentra la potencia que entrega el módulo fotovoltaico
multiplicando la tensión por la intensidad. Seguidamente, el valor de la potencia se filtra
con un filtro paso bajo para eliminar el ruido de alta frecuencia y se deriva. La derivada va
a un comparador con histéresis el cual ataca al flip-flop con retardo. Finalmente, la salida
del flip-flop va al integrador que calcula la consigna para el LFR la cual se adapta en
ganancia y se le añade un pequeño offset.
Comparador con histéresis
Retardo flip-flop
Integrador
Multiplicador
analógico
Ajuste offset
Filtro de entrada y
derivador
Figura 2.15. Esquema simulado en PSIM del MPPT.
Utilizando el siguiente circuito se comprobará el funcionamiento del LFR,
sustituiremos la referencia fija para el LFR por el MPPT explicado.
Figura 2.16. Esquema simulado en PSIM para comprobar el MPPT.
El modelo utilizado para simular el módulo fotovoltaico será el explicado
anteriormente, a continuación tenemos su esquema.
Figura 2.17. Esquema utilizado para simular el módulo fotovoltaico.
24
Realización de un Ondulador Monofásico de Tipo Fotovoltaico.
CAPÍTULO II
I_PV_out*V_PV_out
R
Figura 2.18. Respuesta del LFR con MPPT.
En la figura anterior tenemos los resultados de la simulación del MPPT actuando sobre
el LFR. Se puede observar que el módulo fotovoltaico trabaja en un punto de operación
que oscila entorno al punto de máxima potencia y, a pesar de las perturbaciones, el sistema
se estabiliza de manera que el módulo fotovoltaico siempre trabaja en su zona óptima. La
potencia entregada no es constante y tiene un rizado debido al propio sistema de control.
Como hemos visto una vez que el MPPT encuentra el punto de máxima potencia no deja
una consigna fija sino que se mantiene oscilando entorno de este punto. En la segunda
gráfica tenemos el valor de la referencia que enviamos al LFR el cual se usa para modificar
el valor de resistencia emulada en sus terminales de entrada.
A continuación, haremos una ampliación en la escala del tiempo para poder ver con
más detalle la evolución de la tensión, intensidad y potencia que entrega el módulo
fotovoltaico junto con la consigna que da el MPPT. Para poder observar las magnitudes se
ha cambiado la escala de la potencia y la tensión del módulo fotovoltaico de manera que
todas las magnitudes queden unas cerca de las otras.
25
Realización de un Ondulador Monofásico de Tipo Fotovoltaico.
CAPÍTULO II
I_PV_out*V_PV_out
V_PV_out
I_PV_out
R
Figura 2.19. Detalle de la respuesta del LFR con MPPT.
2.3 Girador de potencia tipo G
Un girador de potencia de tipo G se define como un convertidor conmutado que
satisface las ecuaciones 2.5 y 2.6 y con la característica que la corriente de entrada y la
corriente de salida no son pulsantes. El girador de potencia de tipo G con la corriente de
salida controlada se comporta como una fuente de corriente en el puerto de salida.
I 1 = g ·V2
I 2 = g ·V1
(2.5)
I1
+
V1
-
(2.6)
I2
+
V2
-
Figura 2.20. Representación del girador tipo G.
Dentro del ondulador el girador cumplirá la función de crear una corriente senoidal
rectificada. Observando sus características la función dentro del ondular la podrá cumplir
sin ningún problema, variando el factor g será posible variar la forma de la señal de salida.
Además gracias a si característica de fuente de corriente en su salida nos permitirá la
conexión en paralelo de múltiples giradores.
26
Realización de un Ondulador Monofásico de Tipo Fotovoltaico.
CAPÍTULO II
Figura 2.21. Diagrama de bloques de un convertidor conmutado con
característica de girador G. [1]
En la figura 2.21 vemos como el convertidor DC/DC es controlado mediante un
control por deslizamiento o sliding cuya superficie cumple con las características de un
girador tipo G.
S ( x) = i2 − gv1
(2.7)
El convertidor conmutado DC/DC usado para implementar el girador será un
convertidor reductor o buck con filtro de entrada en inglés “buck with input filter” (BIF).
El esquema del convertidor BIF se muestra a continuación.
Figura 2.22. Esquema convertidor buck con filtro de entrada. [1]
El análisis del girador de tipo G basado en el convertidor BIF controlado por
deslizamiento nos muestra que el sistema es estable y tiene la siguiente ecuación
característica. [1]
⎛
1 ⎞
⎟ P( s) = 0
⎜⎜ s +
(4.8)
RC 2 ⎟⎠
⎝
donde
⎛ 1
g2R ⎞ 2 ⎛ 1
g2R ⎞
1
1
⎟⎟·s + ⎜⎜
⎟⎟ s +
(4.9)
+
−
−
P ( s) = s 3 + ⎜⎜
⎝ Rd C d Rd C1 C1 ⎠
⎝ L1C1 Rd C d C1 ⎠ L1C1 Rd C d
27
Realización de un Ondulador Monofásico de Tipo Fotovoltaico.
CAPÍTULO II
En el apéndice 4, el criterio de Routh se aplicado al polinomio P(S) extrayéndose las
siguientes condiciones de estabilidad.
Rd C d <
C1 + C d
g 2R
(4.10)
Rd C d > g 2 RL1
(4.11)
g 2 RRd C d + g 2 RL1 (C1 + C d ) < ( g 4 R 2 L1 + C d ) Rd C d
2
2
(4.12)
En el apéndice 4 se muestra un procedimiento de cálculo para poder determinar el
valor de los componentes del convertidor BIF para garantizar su estabilidad y su correcta
respuesta.
2.3.1 Simulación del girador tipo G.
La implementación del girador G se realizará con un convertidor de tipo buck con
filtro de entrada (BIF). El control del convertidor, al igual que el LFR se realizará en modo
deslizante y se implementará con un comparador con histéresis. Para verificar su
funcionamiento se realizará la simulación en PSIM del siguiente girador.
Convertidor BIF
Multiplicador
analógico
Comparador con
histéresis
Figura 2.23. Esquema del girador tipo G.
Para comprobar la estabilidad del girador se simulará su funcionamiento sometiéndolo
a perturbaciones en la tensión de entrada y de la carga conectada en la salida. El valor de g
será 0,25 de manera que la intensidad de salida valdrá un cuarto de la tensión de entrada.
Los parámetros de la simulación son los siguientes: Vin = 30 V, L1 = 12 μH, Ra = 1,2 Ω, La
= 22 μH, C1 = 12 μF, Rd = 2,2 Ω, Cd = 100 μF, L2 = 150 μH, C2 = 0,1 nF.
28
Realización de un Ondulador Monofásico de Tipo Fotovoltaico.
CAPÍTULO II
Figura 2.24. Esquema simulado en PSIM para comprobarla respuesta
del girador tipo G a perturbaciones de tensión de entrada y a
perturbaciones en la carga de salida.
La respuesta obtenida mediante simulación se muestra en la figura 2.25. Se puede
observar como la intensidad es aproximadamente 30 V · 0,25 y se mantiene en este valor
sea cual sea la carga conectada al girador puesto que actúa como una fuente de corriente
controlada. En el caso de la perturbación de tensión en la entrada, la tensión baja a 20 V de
manera que la intensidad de salida también se modifica proporcionalmente.
Vin
V_Gir_Out
I_Gir_Out
Figura 2.25. Respuesta del girador tipo G.
En la siguiente tabla tenemos los valores numéricos para cada situación. Se observa
que la relación entre tensión de entrada e intensidad de salida varia ligeramente respecto de
la esperada g = 0,25, pero la diferencia es constante.
29
Realización de un Ondulador Monofásico de Tipo Fotovoltaico.
Intervalo
Tiempo(s)
0,00 – 0,20
0,20 – 0,25
0,40 – 0,80
Tensión Entrada
Girador(V)
30,00
20,00
30,00
Intensidad Salida
Girador (A)
6,83
4,57
6,86
CAPÍTULO II
Valor de g
(S)
0,23
0,23
0,23
Tabla 2.2. Valor de g emulado por el girador.
2.4 Referencia para girador
Adjunto al girador tendremos un circuito que se encargará de generar la referencia que
corresponde a la conductancia g del girador, de esta forma la corriente de salida del girador
reproducirá la corriente senoidal rectificada. Dado que la corriente producida se deberá
inyectar a la red eléctrica la señal de referencia tendrá que ser una fiel reproducción de la
tensión de red. Es decir, tendremos que rectificar la tensión de red obteniendo como
resultado una señal que mantenga la fase, y la forma.
El circuito utilizado para esta misión es un rectificador de puente completo de
precisión. Se trata de un circuito formado por dos etapas, en la primera se amplifica y
separa de manera independiente el semiperiodo positivo del semiperiodo negativo. En la
segunda etapa tenemos un sumador-restador, el cual suma el resultado del semiperiodo
positivo del anterior circuito y se resta el resultado del semiperiodo negativo. De esta
manera, el semiperiodo positivo queda igual y el semiperiodo negativo al estar restado
también se convierte en positivo.
V
V
t
V
t
t
V
t
Figura 2.26. Diagrama de bloques del rectificador de puente completo.
2.4.1 Simulación de la referencia para girador.
El esquema utilizado para implementar el rectificado de onda completa de precisión es
el siguiente:
30
Realización de un Ondulador Monofásico de Tipo Fotovoltaico.
CAPÍTULO II
Figura 2.27. Esquema del rectificador de puente completo de precisión.
Para comprobar el funcionamiento de la referencia junto con el girador se simula el
siguiente circuito. Los parámetros de la simulación son los siguientes: Vin = 40 V, L1 = 12
μH, Ra = 1,2 Ω, La = 22 μH, C1 = 12 μF, Rd = 2,2 Ω, Cd = 100 μF, L2 = 150 μH, C2 = 0,1
nF.
Figura 2.28. Esquema simulado en PSIM del girador tipo G con
referencia senoidal rectificada positiva.
Los resultados obtenidos en la simulación son los esperados, en la primera gráfica
tenemos la tensión e intensidad de salida del girador. Como era de esperar la intensidad
toma la forma que marca la referencia y mantiene el mismo valor eficaz puesto que la
tensión de entrada es constante. Por lo que ser refiere la tensión, debido a la perturbación
que tenemos en la carga al ser la intensidad constante tendrá que reducirse.
31
Realización de un Ondulador Monofásico de Tipo Fotovoltaico.
CAPÍTULO II
V_Gir_Out
I_Gir_Out
Vref
Vac
Figura 2.29. Respuesta del girador con la referencia.
2.5 Puente en H
El puente en H se encarga de convertir la corriente procedente del girador de forma
senoidal rectificada en senoidal. Para ello se invierten semiperiodos alternos cada 0,01s
dando lugar a una señal senoidal de frecuencia 50 Hz. El funcionamiento del puente en H
se basa en un inversor en puente completo el cual es la base de bastantes inversores de
onda cuadrada.
Figura 2.30. Esquema del puente en H.
32
Realización de un Ondulador Monofásico de Tipo Fotovoltaico.
CAPÍTULO II
Se puede observar en las figura 2.31 como al cerrar S1 y S2 o S3 y S4
alternativamente se consigue invertir el sentido de la corriente que va a la carga conectada
en la salida del puente en H.
Figura 2.31. Funcionamiento del puente en H.
2.5.1 Simulación del puente en H.
En la siguiente figura vemos el esquema utilizado para la simulación del puente en H.
Figura 2.32. Esquema del puente en H.
El circuito simulado es el mismo que el utilizado para comprobar el girador
incorporando el puente en H. La señal que se envía al puente en H procede de un
comparador con cero de la señal senoidal de red. Cuando la señal de red es positiva se
envía un uno al puente H y cuando la señal es negativa envía un cero. De esta manera se
consigue activar un lado u otro del puente.
33
Realización de un Ondulador Monofásico de Tipo Fotovoltaico.
CAPÍTULO II
Figura 2.33. Esquema simulado en PSIM del girador tipo G con puente
en H.
En la siguiente imagen tenemos los resultados de la simulación del girador con el
puente H. Como era de esperar la señal conserva las características vistas anteriormente
pero esta vez con forma de senoide.
V_HB_Out
I_HB_Out
Figura 2.34. Respuesta del puente en H conectado al girador tipo G.
34
Realización de un Ondulador Monofásico de Tipo Fotovoltaico.
CAPÍTULO II
2.6 Transformador
El último bloque constitutivo del ondulador es un transformador monofásico con un
primario y un secundario. Su función es adaptar la tensión de trabajo del ondulador a la
tensión de la red eléctrica y aislar eléctricamente los dos sistemas. Concretamente, elevará
la tensión de salida del puente en H, hecho que permitirá al ondulador trabajar en el rango
de la muy baja tensión con las ventajas que esto comporta en la manipulación y diseño del
ondulador.
VP =
NP
·VS
NS
(2.13)
IS =
NP
·I P
NS
(2.14)
N=
NP
NS
(2.15)
Figura 2.35. Funcionamiento del
transformador ideal.
El valor de N está alrededor de 1/13 de manera que el valor máximo de tensión en la
salida del puente en H rondará los 25 V.
2.6.1 Simulación del transformador.
La siguiente figura muestra el esquema con que se ha simulado la conexión a red
mediante transformador del girador.
Figura 2.36. Esquema simulado en PSIM del girador tipo G conectado a
red con transformador.
A continuación, tenemos los resultados de la simulación para el girador conectado a
red a través de un transformador.
35
Realización de un Ondulador Monofásico de Tipo Fotovoltaico.
CAPÍTULO II
V_Red
V_HB_Out
I_HB_Out
I_Red
I_Ond
Figura 2.37. Respuesta del sistema conectado a red.
En la primera gráfica se muestran las tensiones de red y en la salida del puente en H.
En la segunda gráfica se pueden ver las intensidades correspondientes a la salida del puente
H antes ( I(S3.I_HB_Out) ) y después del transformador ( I_Ond ) y la intensidad que
suministra la red. Se constata como todas las señales permanecen inalteradas a lo largo de
la simulación a excepción de la corriente suministrada por la red. Esto sucede al aparecer la
perturbación en la carga del sistema que obliga a entregar más corriente para mantener la
tensión, en girador seguirá entregando la misma corriente puesto que su referencia no se ve
modificada por esta perturbación.
2.7 Ondulador con dos módulos fotovoltaicos
Hemos visto el funcionamiento del LFR y del girador por separado. Para verificar el
funcionamiento de todos los elementos interconectados del ondulador más la conexión en
cascada de dos giradores se realizará la simulación del siguiente circuito. Cada girador irá
conectado a un módulo fotovoltaico de características diferentes, el primero trabajará a
12 V – 5 A y el segundo trabaja a 24 V – 5 A. Ambos módulos se basan en el módulo
simulado anteriormente presentado perturbaciones para cambio de temperatura y radiación.
36
Realización de un Ondulador Monofásico de Tipo Fotovoltaico.
CAPÍTULO II
Figura 2.38. Esquema simulado en PSIM para comprobar el ondulador
completo.
Para simplificar la vista del circuito final se ha añadido dentro de la referencia para el
girador el comparador que generaba la referencia para el puente H. También se ha añadido
a la ganancia del amplificador de instrumentación la ganancia asociada a los giradores, de
esta manera el esquema para la referencia del girador queda de la siguiente manera.
Figura 2.39. Esquema de la nueva referencia para girador.
El girador también ha sufrido una pequeña modificación debido a un problema de
tensión baja. Cuando la tensión en la entrada no es suficientemente grande como para
llegar al mínimo necesario para satisfacer el nivel de salida, la corriente de salida no podía
seguir la referencia. Por este motivo se ha añadido una protección al control del girador de
manera que si la tensión no llega a un valor mínimo no genera señal en la salida.
37
Realización de un Ondulador Monofásico de Tipo Fotovoltaico.
CAPÍTULO II
Figura 2.40. Esquema del nuevo girador tipo G.
2.7.1 Simulación del ondulador con dos módulos fotovoltaicos.
Los resultados obtenidos tras la simulación del ondulador son los mostrados en la
figura 2.42 que contiene 4 gráficas. La primera gráfica corresponde a la potencia entregada
por los módulos fotovoltaicos, como era de esperar el segundo módulo entrega el doble de
potencia que el primero. Vemos que los dos están sometidos a las mismas perturbaciones y
gracias los MPPTs se mantienen en la zona de trabajo óptimas. En la figura 2.41 se
recuerda el circuito equivalente utilizado para la simulación del módulo fotovoltaico
resaltando las perturbaciones de irradiación y temperatura.
Irradiación
Temperatura
Figura 2.41. Circuito equivalente módulo fotovoltaico.
La segunda y tercera gráfica muestra las tensiones de salida de los LFRs y las
intensidades de salida de los giradores respectivamente. Vemos como según aumenta la
tensión de entrada del girador también lo hace la intensidad de salida del girador. Por lo
que se refiere a la cuarta gráfica tenemos la intensidad que aporta el ondulador y la red a la
carga. Según aumenta la intensidad del ondulador que corresponde a la suma de los
giradores la intensidad aportada por la red disminuye. En el siguiente detalle de la figura
2.38 se muestran las intensidades referentes al ondulador y a la red.
38
Realización de un Ondulador Monofásico de Tipo Fotovoltaico.
CAPÍTULO II
Figura 2.42. Detalle corrientes ondulador y red.
S8.I_PV_Out*S8.V_PV_out
S3.I_PV_Out*S3.V_PV_out
S9.V_LFR_Out
S4.V_LFR_Out
S10.I_Gir_Out
S2.I_Gir_Out
I_Ond
I_Red
Figura 2.43. Respuesta del ondulador con perturbaciones en los paneles
por temperatura y radiación.
En la siguiente figura se muestra una ampliación de la anterior gráfica donde se
aprecia con más detalle la forma de onda en la salida del ondulador.
39
Realización de un Ondulador Monofásico de Tipo Fotovoltaico.
CAPÍTULO II
S8.I_PV_Out*S8.V_PV_out
S3.I_PV_Out*S3.V_PV_out
S9.V_LFR_Out
S4.V_LFR_Out
S10.I_Gir_Out
S2.I_Gir_Out
I_Ond
I_Red
Figura 2.44. Detalle de la respuesta del ondulador con perturbaciones en
los paneles por temperatura y radiación.
Para conseguir una simulación más dinámica se intentará simular el efecto de la noche
y el día. Para ello se modificará el modelo de los módulos fotovoltaicos de manera que la
potencia entrega variará a lo largo del tiempo, empezando desde cero y evolucionando
hasta su valor máximo (amanecer), posteriormente volverá a decrecer hasta cero
(anochecer). El esquema utilizado para simular el módulo fotovoltaico es el siguiente:
Figura 2.45. Esquema de modelado para el módulo fotovoltaico con
perturbación noche-día.
Los resultados obtenidos en esta simulación son los que tenemos a continuación.
40
Realización de un Ondulador Monofásico de Tipo Fotovoltaico.
CAPÍTULO II
S10.I_PV_Out*S10.V_PV_out
S9.I_PV_Out*S9.V_PV_out
S3.V_LFR_Out
S7.V_LFR_Out
S8.I_Gir_Out
S2.I_Gir_Out
I_Red
I_Ond
Figura 2.46. Respuesta del ondulador con respuesta noche-día en los
paneles.
En la primera gráfica tenemos la potencia que entregan los paneles fotovoltaicos
donde se puede observar que el MPPT tiene problemas para conseguir la máxima potencia.
Esta situación es debida a la particular forma de onda que tiene la potencia en este caso y a
la rápida evolución de la señal, es previsible que en un caso real donde las variaciones sean
más lentas el seguimiento del punto de máxima potencia sea más preciso. En la segunda
gráfica tenemos la tensión de salida en el LFR, dado que los condensadores están
descargados la tensión parte de cero y crece según los módulos solares aportan energía. Por
lo que respecta al girador como era de esperar, hasta que la tensión de entrada no alcanza
los 24 V no deja circular corriente en su salida. Una vez la tensión llega a 24 V siguiendo
la referencia de senoidal rectificada genera corriente que crece y decrece en amplitud en
función de la tensión de salida del LFR. Finalmente, en la última gráfica se puede ver la
intensidad que aporta la red y el ondulador a la carga del sistema simulado. Inicialmente,
toda la intensidad la aporta la rede eléctrica y una vez que los módulos fotovoltaicos
producen energía la corriente del ondulador va incrementando su valor de manera que la
red suministra menos potencia a la carga. Cuando llega la noche y los módulos dejan de
producir corriente de nuevo la intensidad aportada por el ondulador a la red decrece hasta
hacerse cero y la red eléctrica toma el relevo para alimentar la carga.
41
Realización de un Ondulador Monofásico de Tipo Fotovoltaico.
S10.I_PV_Out*S10.V_PV_out
S9.I_PV_Out*S9.V_PV_out
S3.V_LFR_Out
S7.V_LFR_Out
S8.I_Gir_Out
S2.I_Gir_Out
I_Ond
I_Red
Figura 2.47. Detalle de la respuesta del ondulador con respuesta nochedía en los paneles.
42
CAPÍTULO II
Realización de un Ondulador Monofásico de Tipo Fotovoltaico.
CAPÍTULO III
3 Dimensionado y selección de componentes.
En el siguiente apartado se procede a detallar los cálculos de los componentes
principales de cada módulo del ondulador fotovoltaico y la selección de la solución
comercial más adecuada en cada situación.
3.1 Módulos fotovoltaicos
El punto de partida para el dimensionado del ondulador son los módulos fotovoltaicos
que tendrá conectados en la entrada. Los módulos disponibles en el laboratorio son de 85W
y 12 V de manera que para cumplir lo objetivos del proyecto se propone la siguiente
configuración.
CASO 1. Panel 1:
Tensión máxima: 20 V.
Intensidad máxima: 5 A.
Potencia máxima: 85 W.
Figura 3.1. Configuración módulos
fotovoltaicos nº 1.
CASO 2. Paneles 2 y 3 (en serie):
Tensión máxima: 40 V.
Intensidad máxima: 5 A.
Potencia máxima: 170 W.
Figura 3.2. Configuración módulos
fotovoltaicos nº 2.
Cada módulo de potencia se compondrá de un LFR boost con su MPPT asociado y de
un girador. La referencia del girador será común para todos los giradores y al igual que el
puente en H solo habrá uno en cada ondulador.
Por tanto, con la configuración expuesta haremos trabajar al ondulador con una
potencia máxima de 255 W y podremos verificar la conexión en cascada de dos módulos
de potencia alimentados con fuentes de diferentes características. Para simplificar el diseño
del ondulador se buscará una solución única para los módulos de potencia que mediante
pequeños ajustes se puedan conectar módulos fotovoltaicos de diferentes características.
43
Realización de un Ondulador Monofásico de Tipo Fotovoltaico.
CAPÍTULO III
3.2 LFR Boost
3.2.1 Componentes pasivos: L y C.
Calcularemos los componentes pasivos del boost tanto en el caso 1 como en el 2. A
continuación, se muestran los cálculos agrupados para cada caso:
CASO 1. Panel 1:
Margen de tensión de entrada:
10 V a 24 V
Potencia máxima entregada a la carga:
85 W
Frecuencia de conmutación máxima:
400 kHz
Rizado máximo de la corriente en la bobina: 1 %
Tensión nominal a la salida del convertidor: 40 V
Tensión mínima a la salida permitida:
36 V
Tiempo de hold – up :
20 ms
El primer paso es calcular el valor de la resistencia de carga para la potencia dada de
85 W. Se obtendrá a partir de la potencia de salida y de la tensión nominal de salida:
Pout
V
= Out
RL
2
2
V
Æ RL = Out
Pout
40 2
Æ RL =
Æ RL = 18,82 Ω
85
(3.1)
A continuación, calcularemos el inductor del boost, para ello necesitamos el rizado
de corriente máximo permitido y el ciclo de trabajo para la condición más desfavorable.
Esta situación aparece cuando la tensión de entrada está en su valor mínimo. El primer
paso es calcular el valor del rizado de la corriente en la bobina.
P
ΔI L = 0,01·I L Æ ΔI L = 0,01· Out Æ ΔI L = 0,085 A
VIn (min)
(3.2)
A continuación, calculamos el ciclo de trabajo.
D = 1−
VIN (min)
VOUT (min)
Æ D = 1−
10
Æ D = 0,722
36
(3.3)
Finalmente, podemos calcular el inductor.
L=
VIN (min) ·D
ΔI L · f s
Æ L=
10·0,722
Æ L = 212,35 μH
0,085·200000
(3.4)
El cálculo del condensador de filtrado se basa en el tiempo de hold-up. Este marca el
tiempo que tras un fallo en la alimentación del circuito la tensión de salida se mantiene
dentro de unos márgenes aceptable de tensión.
44
Realización de un Ondulador Monofásico de Tipo Fotovoltaico.
CAPÍTULO III
2
2
1 VOUT (max) − VOUT (min)
Æ C = 11,184 mF
POut = ·C ·
t HU
2
(3.5)
CASO 2. Panel 2 y 3:
Para este caso repetiremos los cálculos realizados en caso anterior pero ahora la
alimentación del boost procederá de dos paneles conectados en paralelo. Las características
que deberá cumplir el convertidor son las siguientes:
Margen de tensión de entrada:
20 V a 48 V
Potencia máxima entregada a la carga
170 W
Frecuencia de conmutación máxima:
200 kHz
Rizado máximo de la corriente en la bobina: 2 %.
Tensión nominal a la salida del convertidor: 40 V
Tensión mínima a la salida permitida:
36 V
Tiempo de hold – up:
20 ms.
Cálculo de resistencia de salida.
2
VOut
Æ R = 9,412 Ω
Pout =
RL
(3.6)
Cálculo del rizado de intensidad y ciclo de trabajo para calcular la bobina del
convertidor.
P
ΔI L = 0.02·I L Æ ΔI L = 0.02· Out Æ ΔI L = 0,17 A
(3.7)
VIn (min)
D = 1−
L=
VIN (min)
Æ D = 0,444
(3.8)
Æ L = 261,43 μH
(3.9)
VOUT (min)
VIN (min) ·D
ΔI L · f s
Cálculo del condensador de salida.
POut
2
2
1 VOUT (max) − VOUT (min)
= ·C ·
Æ C = 11,184 mF
t HU
2
(3.10)
Como se puede observar los componentes calculados para el LFR tanto en el caso 1
como en el caso 2 son bastante similares. De esta manera, se decide diseñar un único LFR
boost con una L = 220 μH que es un valor bastante comercial y un C = 20 mF. El
condensador se ha sobredimensionado ligeramente ya que el valor calculado es el mínimo
teórico y puesto que la tensión de salida del LFR es la tensión de entrada para el girador se
desea que esté lo más estabilizada posible.
45
Realización de un Ondulador Monofásico de Tipo Fotovoltaico.
CAPÍTULO III
3.2.2 Comparador con histéresis.
El sistema de control del LFR se basa en el modo deslizante que se implemente en el
circuito con un comparador con histéresis o concretamente, un disparador de Schmitt. La
estructura del comparador es la siguiente:
Figura 3.4. Respuesta del comparador con
histéresis.
Figura 3.3. Esquema del comparador con
histéresis.
Si suponemos Vr igual a cero la relación entre la entrada y la salida es la que se
muestra en la figura 3.4. VOH y VOL son el valor alto y bajo que toma el comparador y VTL
y VTH son los valores umbral o de disparo que debe alcanzar la señal de entrada para que
cambie de estado. La relación que existe entre estos valores se expresa mediante las
siguientes ecuaciones.
R1
·VOH
R1 + R2
R1
·VOL
VTL =
R1 + R2
VTH =
(3.11)
(3.12)
De esta manera, fijando los valores de R1 y R2 podremos ajustar el margen de
diferencia entre una señal y otra para que se produzca un cambio de estado. Para el caso
del LFR tenemos los siguientes valores: VOH = 5 V , VOL = 0 V , VTH = 0,1 V y VTL = 0 V .
Fijaremos el valor de R1 a 10 kΩ de manera que R2 será:
R2 =
R1 ·VOH
− R1 Æ R2 = 490 kΩ
VTH
(3.13)
En la simulación se eligió un resistor de 100 kΩ puesto que el valor alto de la salida,
VOH , es igual a 1 V.
46
Realización de un Ondulador Monofásico de Tipo Fotovoltaico.
CAPÍTULO III
3.2.3 Protección de sobretensión.
Un inconveniente que tiene el LFR es que si por algún motivo la carga se
desconectase el boost seguirá elevando tensión de salida indefinidamente. En la práctica
esta situación no sucede pero si puede darse el caso que la tensión de salida se eleve por
encima de las tensiones máximas de los componentes. En este caso existe un riesgo
potencial de que algún componente se destruya, por este motivo se colocará un dispositivo
que “pare” el boost cuando se llega una tensión máxima segura. El esquema de la
protección de sobretensión es el siguiente:
Figura 3.5. Esquema de la protección de sobretensión.
El diodo zener seleccionado es el BZX85-C43 con una tensión zener entre 40 – 46 V
y una intensidad máxima de zener de 26 mA. En el peor de los casos el diodo conducirá a
los 46 V con lo que quedan 4 V para alcanzar la tensión máxima de trabajo de los
condensadores de salida. Una vez que se supera la tensión de zener el diodo conduce
libremente en inversa y el resistor Rz se deberá dimensionar correctamente para que no se
supere la máxima corriente del diodo.
Rz =
VLFR
50V
Æ RZ =
Æ RZ = 1923 Ω
Iz
26mA
(3.14)
Este es el valor mínimo para que el diodo funcione correctamente pero para evitar
sobre calentamiento y pérdida de potencia se colocara un resistor 10 veces más grande. El
valor comercial elegido para el resistor Rz será de 22 kΩ.
Finalmente, deberemos calcular el resistor Rb para limitar la corriente de base en el
transistor. El transistor elegido es el BC109 que en saturación la VEB máxima es de 0,9 V y
la intensidad de base deseada es de 1 mA.
Rb =
VRZ − VEB
IB
Æ Rb =
1V − 0.9V
Æ RZ = 100 Ω
1mA
47
(3.15)
Realización de un Ondulador Monofásico de Tipo Fotovoltaico.
CAPÍTULO III
3.2.4 Disipador de calor.
El cálculo del disipador de calor se hará para el LFR que trabaja en el caso 2, 2
paneles en paralelo, ya que son las condiciones más exigentes y en las que se va a disipar
más potencia.
Para hacer el cálculo del disipador necesario en el LFR Boost haremos una analogía
entre los circuitos eléctricos y los circuitos de flujo de calor. Definiremos la ley de Ohm
para un circuito de flujo de calor que quedará expresada de la siguiente manera:
T j − Ta = P·Rth _ t
(3.16)
Donde,
Tj: Temperatura máxima de la unión del elemento semiconductor.
Ta: temperatura ambiente.
P: potencia consumida por el componente.
Rth_t: resistencia térmica total entre la unión y el aire ambiente.
En esta ecuación habrá unos valores que prefijamos:
T j = 100 º C , máxima admitida por el dispositivo 175 ºC.
Ta = 25 º C
En el siguiente paso se calculara la potencia que consumirá el componente, en
nuestro caso un transistor MOSFET y un diodo Schotty.
MOSFET IRLIZ44N
En el interruptor MOSFET tendremos dos tipos de pérdidas: perdidas por
conmutación y pérdidas por conducción. Puesto que la capacidad de puerta del MOSFET
utilizado y los tiempos de transición entre estados es pequeño, negligiremos las pérdidas de
conmutación en frente de las pérdidas por conducción que serán las mayoritarias. Por lo
tanto, la potencia que consume el MOSFET debido a las pérdidas por conducción se
expresa de la siguiente manera:
P = R· I 2 · D
(3.17)
donde
R es la resistencia drenador surtidor del MOSFET.
I es la intensidad que circula a través del drenador surtidor.
D es el ciclo de trabajo.
La resistencia que tendrá el dispositivo es de 0,035 Ω en el peor de los casos y la
intensidad eficaz que circulará es de:
I=
170 W
Æ I rms = 5 A
34 Vrms
48
(3.18)
Realización de un Ondulador Monofásico de Tipo Fotovoltaico.
CAPÍTULO III
Por lo tanto la potencia consumida por el MOSFET son:
P = 0,035·5 2 ·0,444 Æ P = 0,389 W
(3.19)
Diodo Schotty MBR 1045
Para saber la potencia que disipa el diodo tendremos que mirar la hoja de
características que nos da el fabricante, donde tenemos lo siguiente.
Figura 3.6. Potencia disipada en función de la intensidad en directa para
el diodo MBR1045.
La corriente eficaz que circula por el diodo es de 5 A con un ciclo de trabajo de (1-D)
por lo que son 2.8 A. Por lo tanto, según la gráfica anterior la potencia que disipa el diodo
en el LFR Boost es de:
P =1 W
(3.20)
Volviendo a la ecuación planteada inicialmente:
T j − Ta = P·Rth _ t
T j − Ta = P·( Rth _ j −c + Rth _ c −amb )
(3.21)
(3.22)
Despejamos la resistencia térmica y sustituimos los valores conocidos. Para Rth _ j −c
elegimos el peor caso que es para el MOSFET.
Rth _ c −amb =
T j − Ta
P
− Rth _ j −c
49
(3.23)
Realización de un Ondulador Monofásico de Tipo Fotovoltaico.
Rth _ c − amb =
CAPÍTULO III
75 º C
− 3,3 º C/W
1,389 W
Rth _ c − amb = 50,70 º C/W
(3.24)
(3.25)
Por lo tanto la resistencia térmica que deberá tener el disipador es de 50,70 º C/W .
3.3 Girador tipo G.
3.3.1 Componentes pasivos: L y C.
Calcularemos los componentes pasivos del buck tanto en el caso 1 como en el 2. A
continuación, se muestran los cálculos agrupados para cada caso:
CASO 1. Panel 1:
Margen de tensión de entrada:
36 V a 40 V
Potencia máxima entregada a la carga:
85 W
Frecuencia de conmutación máxima:
200 kHz
Rizado máximo de la corriente en la bobina: 5 %
Tensión máxima en la salida del convertidor: 27 V
Tensión mínima en la salida del convertidor: 0 V
Tiempo de hold – up :
2,5 μs
CASO 2. Panel 2 y 3:
Es igual que el anterior pero con una potencia de salida de 170 W.
Se puede observar en las especificaciones del girador que la tensión de salida oscila
entre 0 y 27 V. Esto implica que el convertidor buck no va ha trabajar en una zona estable
sino que irá variando constantemente el punto de trabajo. Para tener un punto de referencia
cogeremos la situación en que la tensión de salida es 27 V. A partir de este valor de
inductancia se harán ajustes mediante el sistema de prueba y error para conseguir el
comportamiento deseado.
Cálculo del rizado de intensidad y ciclo de trabajo para calcular la bobina del
convertidor.
ΔI L = 0,05·I L Æ ΔI L = 0,05·(VIN − VOUT ) Æ ΔI L = 0,45 A
D=
VOUT (min)
VIN (min)
Æ D = 0,692
50
(3.27)
(3.26)
Realización de un Ondulador Monofásico de Tipo Fotovoltaico.
L=
(VIn (max) − VOut )·VOut
VIn (max) · f ·ΔI Out
CAPÍTULO III
Æ L = 123,91 μH
(3.28)
Cálculo del condensador de salida.
POut
2
2
1 VOUT (max) − VOUT (min)
= ·C ·
Æ C = 15,88 μF
2
t HU
(3.29)
3.3.2 Comparador con histéresis.
Para hacer el cálculo del comparador con histéresis se procede igual que en el caso
del LFR. Particularizando, para el caso del girador tenemos los siguientes valores:
VOH = 5 V , VOL = 0 V , VTH = 0,05 V y VTL = 0 V . Fijaremos el valor de R1 a 10 kΩ de
manera que R2 será:
R ·V
R2 = 1 OH − R1 Æ R2 = 990 kΩ
(3.30)
VTH
3.3.3 Disipador de calor.
De igual manera, que en el caso del LFR calcularemos el disipador necesario para el
girador. Utilizaremos la misma expresión que en caso anterior. A continuación, se procede
al cálculo de las potencias disipadas por el transistor MOSFET y los diodos Schotty.
MOSFET IRLIZ44N
La potencia que consume el MOSFET se expresa de la siguiente manera:
P = R· I 2 · D
(3.31)
donde
R es la resistencia drenador surtidor del MOSFET.
I es la intensidad que circula a través del drenador surtidor.
D es el ciclo de trabajo.
La resistencia que tendrá el dispositivo es de 0,035 Ω en el peor de los casos y la
intensidad eficaz que circulará es de:
I=
170 W
Æ I rms = 9,5 A
18 Vrms
(3.32)
Por lo tanto la potencia consumida por el MOSFET son:
P = 0.035·9,5 2 ·0,692 Æ P = 2,19 W
51
(3.33)
Realización de un Ondulador Monofásico de Tipo Fotovoltaico.
CAPÍTULO III
Diodos Schotty MBR 1045
Mirando la hoja de características del diodo cuando circulan 10 A multiplicado
por·(1-D), que son 3,08 A, la potencia que disipa el diodo es:
P = 1,5 W
(3.34)
El segundo diodo esta sometido al paso de 6,3 A eficaces, mirando en la tabla del
fabricante vemos que disipará 2,7 W. Por lo tanto la potencia total disipada por los dos
diodos es de:
P = 4,2 W
(3.35)
Finalmente, calculamos el valor de la resistencia térmica total entre la unión y el
ambiente.
75 º C
Rth _ c − amb =
− 3,3 º C/W
(3.36)
6,39 W
Rth _ c − amb = 8,43 º C/W
(3.37)
Por lo tanto la resistencia térmica que deberá tener el disipador es de 8,43 º C/W .
3.3.4 Driver para el MOSFET.
Dadas las características especiales del girador, el transistor MOSFET deberá realizar
conmutaciones a alta frecuencia que interesarán, obviamente, que sean lo más rápidas
posibles. Además la configuración del convertidor buck hace que el MOSFET se encuentre
en una conexión flotante lo que dificulta el trabajo del driver de potencia para el transistor.
El driver seleccionado para controlar el MOSFET del girador será un driver de tipo
bootstrap que mediante una bomba de carga eleva la tensión para alimentar la puerta del
MOSFET tomando como referencia la tensión de la fuente. El modelo comercial utilizado
es el IR2125 y tendrá dos componentes críticos que serán necesarios calcular: condensador
y diodo de bootstrap.
52
Realización de un Ondulador Monofásico de Tipo Fotovoltaico.
CAPÍTULO III
Figura 3.7. Condensador y diodo de bootstrap usados por el driver del
MOSFET en lado alto.
Cálculo del condensador de bootstrap.
La siguiente ecuación detalla la mínima carga que debe ser suministrada por el
condensador de bootstrap`.
Qbs = 2·Qg +
I qbs (max)
f
+ Qls +
I Cbs ( leak )
(3.38)
f
Donde,
Qg = Carga de la puerta del MOSFET.
I cbs (leak ) = Corriente de fuga del condensador de bootstrap.
I qbs (max) = Máxima corriente para la circuitería del lado alto driver.
Qls = diferencia de nivel de carga necesario por ciclo = 5 nC (500 V/600 V
IC’s) o 20 nC(1200V ICs)
f = frecuencia de trabajo.
La función del condensador será suministrar suficiente carga para que se mantenga el
voltaje estable. Si esto no se cumple la tensión Vbs tendrá mucho rizado y si cae por debajo
de la tensión de undervoltage el driver se bloqueará. Por lo tanto el condensador Cbs deberá
ser como mínimo el doble del valor anterior. El condensador mínimo se calculará con la
siguiente ecuación.
I qbs (max)
I Cbs ( leak ) ⎤
⎡
+ Qls +
2·⎢2Qg +
⎥
f
f ⎦
⎣
C≥
VCC − V f − LLS − VMin
(3.39)
Donde,
V f = Caída de tensión en conducción directa del diodo.
VMIN = Tensión mínima entre Vb y Vs.
VLS = Caída de tensión en la carga del MOSFET.
Si sustituimos los valores en la ecuación tenemos lo siguiente:
10
15 ⎤
⎡
+5+
2 ⎢2·48 +
300
300 ⎥⎦
C≥ ⎣
15 − 1,25 − 1 − 7,7
C≥
202,05
Æ C ≥ 40 nF
5,5
53
(3.40)
(3.41)
Realización de un Ondulador Monofásico de Tipo Fotovoltaico.
CAPÍTULO III
El valor obtenido es el mínimo absoluto imprescindible para que funcione el
controlador. Debido a la naturaleza del circuito de bootstrap, un valor muy bajo para el
condensador Cbs podría traducirse en un daño para el circuito. Por este motivo y para
reducir aun más el valor de rizado de la tensión Vbs el valor del condensador obtenido en la
ecuación anterior se multiplicará por un factor de 15.
C bs = 0,6 μF
(3.42)
Para conseguir un resultado óptimo y conseguir un buen desacoplo optaremos por
colocar un condensador cerámico de 1 μF con bajo ESR.
Cálculo del diodo de bootstrap
El diodo de bootstrap ( Dbs ) deberá ser capaz de bloquear la máxima tensión vista en
el lado alto del dispositivo cuando el MOSFET es activado. Tiene que ser un diodo de
recuperación rápida para minimizar la cantidad de carga que devuelve el condensador de
bootstrap a la alimentación, también deberá tener un corriente de fuga inversa lo más
pequeña posible para el condensador no se descargue con el tiempo. Por último, la
intensidad que debe soportar es el producto de la carga calculada en la ecuación 3.38 y la
frecuencia de trabajo.
I F = Qbs · f = 0,04 A
(3.43)
Por lo tanto las características que deberá tener el diodo son:
VRRM = 20 V
t rr (max) = 100 ns
3.4 Puente en H
3.4.1 MOSFETs.
El componente principal del puente en H son los interruptores que se encargar de
invertir periódicamente la señal a la entrada del puente. Concretamente, se compone de 4
MOSFETs que se activan de dos en dos cada vez. Las características eléctricas del puente
en H son las siguientes:
Tensión eficaz de entrada: ..........25 V.
Tensión máxima: ........................36 V.
Intensidad eficaz de entrada: ......10,2 A.
Intensidad máxima: .....................15 A.
Frecuencia de conmutación: ........10 ms.
54
Realización de un Ondulador Monofásico de Tipo Fotovoltaico.
CAPÍTULO III
Los transistores elegidos deberán soportar estas condiciones de trabajo con la menor
disipación de potencia y el menor coste posible. Además será interesante que permita un
control sencillo y una instalación sobre disipador cómoda.
El transistor elegido para conformar el puente en H es el IRLIZ44N. Soporta una
tensión máxima de drenador-surtidor de 55 V, con una resistencia drenador-surtidor de
0,035Ω y una intensidad máxima de drenador de 30 A. Todas las características son
suficientes para permitir el correcto funcionamiento del puente en H y además permite el
control de puerta con nivel lógico de tensión y se ofrece con encapsulado TO-220 fullpak
que permite instalarse sin necesidad de aislantes.
Figura 3.8. Encapsulado y diagrama del IRLIZ44N.
3.4.2 Disipador de calor.
De igual manera que en los casos anteriores calcularemos el disipador necesario para
los transistores del puente en H. Utilizaremos la misma expresión que en caso anterior.
A continuación, se procede al cálculo de las potencias disipadas por el transistor
MOSFET.
MOSFET IRLIZ44N
La potencia que consume un MOSFET en el peor de los casos ese de:
P = 0,035·10,2 2 ·0,5 Æ P = 1,82 W
(3.44)
Dado que el puente en H tiene 4 interruptores MOSFET la potencia total a disipar es:
P = 7,28 W
(3.45)
Finalmente, calculamos el valor de la resistencia térmica total entre la unión y el
ambiente.
Rth _ c − amb =
75 º C
− 3,3 º C/W
7,28 W
Rth _ c −amb = 7,00 º C/W
(3.46)
(3.47)
Por lo tanto la resistencia térmica que deberá tener el disipador es de 7,00 º C/W .
55
Realización de un Ondulador Monofásico de Tipo Fotovoltaico.
CAPÍTULO III
3.5 Transformador
La última etapa del ondulador es el transformador, el cual se encargará de adaptar la
tensión del ondulador a la de red y dotar al circuito de aislamiento eléctrico. El
transformador deberá tener un alto rendimiento a la vez de ser económico. Las
características que debe tener el transformador son las siguientes:
Potencia de salida: ......................255 W
Tensión de salida eficaz: .............230 V
Frecuencia de trabajo: .................50 Hz
Tensión de entrada eficaz: ..........18 V
Intensidad eficaz de entrada: ......12,6 A
El transformador elegido será de tipo toroidal de estructura abierta. Dispondrá de un
primario y dos secundarios los cuales se podrán conectar en serie o en paralelo para sumar
tensiones o intensidades respectivamente.
Figura 3.9. Transformador toroidal y esquema de conexiones.
3.6 Fuente de alimentación
La fuente de alimentación se encarga de suministrar la energía necesaria para que los
circuitos que componen el ondulador: LFR, MPPT, girador, referencia y puente H
funcionen correctamente. La fuente de alimentación se tendrá que alimentar de la corriente
continua que suministran los módulos fotovoltaicos y tendrá que ofrecer unas tensiones de
salida estabilizadas que puedan cubrir las necesidades de los circuitos mencionados.
Además, se procurará que el rendimiento de la fuente sea lo más elevado posible y permita
a su vez que el rendimiento del ondulador sea el mejor posible.
Las tensiones de salida que deberá suministrar la fuente de alimentación son: +12 V,
+5 V y -5 V. A continuación, se detallan en forma de tabla los consumos máximos de las
cargas asociadas a cada tensión.
56
Realización de un Ondulador Monofásico de Tipo Fotovoltaico.
CAPÍTULO III
Consumo LFR y MPPT
Carga
Driver TC4420
Amplificador INA195
Comparador LM311
Multiplicador AD835
MOSFET IRLI44N
Microcontrolador PIC
AO OPA277
Otros
TOTAL consumo :
Intensidad máxima consumida (mA)
+5 V
-5 V
+12 V
3
15
7,5
7,5
25
25
26
15
5
5
2
2
-
98,5
39,5
0
Tabla 3.1. Consumo eléctrico del LFR y MPPT.
Consumo girador y referencia
Carga
Driver IR2125
Amplificador INA195
Comparador LM311
Multiplicador AD835
MOSFET IRLI44N
AO OPA4277
Otros
TOTAL consumo :
Intensidad máxima consumida (mA)
+5 V
-5 V
+12 V
2
15
7,5
7,5
25
25
26
7
7
2
2
-
56,5
41,5
28
Tabla 3.2. Consumo eléctrico del girador y la referencia.
Consumo puente en H
Carga
Drivers IR2101
Drivers IR2102
Comparador LM311
MOSFETs IRLI44N
TOTAL consumo :
Intensidad máxima consumida (mA)
+5 V
-5 V
+12 V
2
2
7,5
7,5
0.1
-
11,6
7,5
0
Tabla 3.3. Consumo eléctrico del puente en H.
Si sumamos los consumos para cada tensión tenemos los siguientes resultados.
57
Realización de un Ondulador Monofásico de Tipo Fotovoltaico.
CAPÍTULO III
Consumo ondulador
Módulo
LFR y MPPT
Girador y referencia
Consumo puente en H
TOTAL consumo :
Potencia (W):
Intensidad máxima consumida (mA)
+5 V
-5 V
+12 V
98,5
39,5
0
56,5
41,5
28
11,6
7,5
0
166,6
0,83
88,5
0,44
Tabla 3.4. Consumo eléctrico del ondulador.
58
28
0,34
Realización de un Ondulador Monofásico de Tipo Fotovoltaico.
CAPÍTULO IV
4 Prototipo experimental del ondulador.
Hasta ahora se ha hecho el análisis teórico del sistema, en el siguiente apartado
tenemos el desarrollo de los equipos circuitos necesarios para implementar el prototipo del
ondulador monofásico experimental. En la siguiente figura tenemos el diagrama de
secuencia seguido para el diseño y posterior construcción del ondulador monofásico de
tipo fotovoltaico.
ESTUDIO PREVIO
SIMULACIÓN
SELECCIÓN DE
COMPONENTES
ESQUEMAS
ELÉCTRICOS
DISEÑO CIRCUITOS
IMPRESOS
MONTAJE
COMPONENTES
MONTAJE
DISIPADORES
CONEXIONES
ELÉCTRICAS
PUESTA EN
MARCHA
Figura 4.1. Diagrama secuencia de fases de construcción prototipo.
4.1 Esquema circuital del ondulador.
Seguidamente, se muestran los esquemas electrónicos para cada módulo
desarrollados con OrCAD Capture.
59
J17
1
2
3
C83
0.1uF
C80
0.1uF
F1
6A
GND_LFRP
+ C82
10uF
+ C81
10uF
+VCC_LFR
GND_LFR
+
+
C6
0.1uF
1
2
5
VIN-
U6
OUT
VIN+
GND
V+
O/P
O/P
4
3
R12
3k5
R13
1k
R11
R37
20k
R14
C111
0.1uF
GND_LFR
L1
220uH
V_LFR
V_LFR
D7
MBR1045
M5
IRLIZ44N
GND_LFRP
R76
100
1k
10k
R74
R72
BC109
Q1
GND_LFR
D10
BZX79C15
C34
0.1uF
100
R75
shunt-10m
HL
R109
6
GND_GIR
C67
0.1uF
R15 10
100k
GND_LFR
3 +
2 -
-VCC_LFR
U16
OPA277
56k
+VCC_LFR
6
7
R30
1k
R22
3k5
INA195
U7
C9
0.1uF
GND_LFR
C85
10uF
I/P
TC4420
VDD
VDD
GND
GND
R108
10k
10k
R110
GND_LFR
GND_LFR
1
8
5
4
2
VSens_PIC
5
C19
0.1uF
W
C10
10uF
GND_LFR
+VCC_LFR
ISens_PIC
Z
Y1
Y2
X1
X2
U18
+VCC_LFR
D8
MUR840
-VCC_LFR
RV1
S14K40
ISens_PIC
VSens_PIC
R
8
7
1
2
4
6
3
+VS
-VS
AD835
C64
0.1uF
GND_LFR
+ C13
10mF
C86
0.1uF
+ C14
10mF
R17
22k
GND_LFR
D9
BZX85C43
GND_LFR
R56 500k
C63
0.1uF
HL
+ C60
120uF
GND_LFR
GND_LFR
LM311
U20
7
+VCC_LFR
2 +
3 -
C62
0.1uF
-VCC_LFR
GND_LFR
C11
3uF
R57
1k
C12
3uF
C15
3uF
+VCC_LFR
C61
0.1uF
GND_LFR
C16
3uF
C17
3uF
C18
0.1uF
1
2
J14
LFR_OUT
GND_LFRP
Figura 4.2. Esquema circuital del LFR basado en el convertidor boost.
+- 5V 0V
J13
1
2
LFR_IN
J15
GND_LFR
C90
15pF
GND_LFR
C33
0.1uF
GND_LFR
C89
15pF
GND_LFR
R58
20k
C84
15pF
GND_LFR
GND_LFR
GND_LFR
+VCC_LFR
-VCC_LFR
C65
0.1uF
GND_LFR
60
GND_LFRP
J34
1
2
3
4
Signal_MPPT
ISens_PIC
R
R55
20k
C87
15pF
GND_LFR
R73
100k
-VCC_LFR
R66
20k
C88
0.1uF
GND_LFR
8
5
4
1
6
7
8
4
1
CAPÍTULO IV
Realización de un Ondulador Monofásico de Tipo Fotovoltaico.
4.1.1 LFR Boost
J23
+- 5V 0V
1
2
3
1
2
C77
0.1uF
C78
0.1uF
C76
0.1uF
C79
0.1uF
GND_GIRP
GND_GIR
R65
+ C43
10uF
+ C48
10uF
+
C75
10uF
R35
39k
R36
1k
C71
15pF
GND_GIR
VSens
C70
0.1uF
GND_GIR
+VCC_GIR
GND_GIR
-VCC_GIR
+15_GIR
Z
Y1
Y2
X1
X2
U13
C69
0.1uF
12uH
L3
GND_GIR
R34
20k
GND_GIR
G
8
7
1
2
4
6
3
+VS
-VS
R28
1.2
L4
5
22uH
VSens
W
C46
AD835
0.1uF
GND_GIR
+
C39
10uF
R105
10k
R107
GND_GIR
10k
R54
20k
C37
1uF
GND_GIR
C41
1uF
C68
15pF
R63
1k
C58
0.1uF
GND_GIRP
+15_GIR
C44
0.1uF
6
GND_GIR
GND_GIR
R106 56k
+VCC_GIR
3 +
2 -
ISens
+VCC_GIR
C38
100uF
R27
2.2
GND_GIR
+
3
2
+
-
C36
0.1uF
1
2
5
GND_GIR
M6
IRLIZ44N
VIN-
U12
OUT
GND
VIN+
4
3
J31
R31
D14 shunt-10m
MBR1045
GND_GIRP
R68
100
+VCC_GIR
C74
0.1uF
GND_GIR
1k
R38
INA195
V+
D12
R25
BZX79C15
R26
10
100k
C45
1uF
500k
R51
C50
0.1uF
GND_GIR
GND_GIR
LM311
U14
7
+VCC_GIR
R67
560k
5
6
7
8
GND_GIRP
HO
ERR CS
IN
VCC VB
U3
MUR160
D16
C40
0.1uF
1
2
3
4
IR2125
COM VS
GND_GIR
R64
10k
C49
0.1uF
ISens
C66
0.1uF
U15
OPA277
-VCC_GIR
L5
150uH
BC109
Q2
+
D13
MBR1045
C42
10uF
330k
R69
C35
0.1uF
F2
6A
GND_GIRP
R77
10k
GND_GIR
R19
1k
C73
1uF
+15_GIR
GND_GIRP
GND_GIR
C91
0.1uF
J22
GIR_OUT
1
2
J35
Shut_Down
1
2
GND_GIRP
GND_GIR
Figura 4.3. Esquema circuital del girador tipo G basado en el
convertidor BIF.
J33
+15V
J20
1
2
J29
GND_GIRP
1
2
10
GND_GIR
R61
20k
G
GND_GIR
+VCC_GIR
-VCC_GIR
C47
0.1uF
GND_GIR
GND_GIR
-VCC_GIR
GND_GIR
61
GIR_IN
J24
G_Ref
+VCC_GIR
R59
5.6k
R60
1k
C72
0.1uF
GND_GIR
GND_GIR
R71
39k
-VCC_GIR
R53
20k
R70
39k
+VCC_GIR
8
5
4
1
6
7
8
4
1
CAPÍTULO IV
Realización de un Ondulador Monofásico de Tipo Fotovoltaico.
4.1.2 Girador tipo G.
J1
1
2
H_Bridge_IN
J2
1
2
AC_OUT
J3
1
2
1
2
V_Conm
J4
+12V
GND_HBP
AC1
AC2
Side__R
Side__L
VCC_HB
C1
0.1uF
GND_HB
C4
0.1uF
GND_HB
VCC_HB
VCC_HB
+ C57
10uF
GND_HB
C110
0.1uF
GND_HB
J8
GND_HBP
1
2
3
4
GND_HB
1
2
3
4
GND_HB
D1
U1
MUR160
HIN
VS
HO
VCC VB
LIN
IR2301
COM LO
D4
U2
MUR160
HIN
VS
HO
VCC VB
LIN
IR2301
COM LO
8
7
6
5
8
7
6
5
1H
1L
2H
2L
C2
0.1uF
J6
C5
0.1uF
J7
AC1
AC2
1H
2L
R4
100k
R9
100k
R2
10
R7
10
D2
BZX79C15
D5
BZX79C15
M1
IRLIZ44N
AC1
M3
IRLIZ44N
M2
IRLIZ44N
C3
0.1uF
M4
IRLIZ44N
GND_HBP
D3
BZX79C15
AC2
D6
BZX79C15
R3
10
R8
10
R5
100k
R10
100k
2H
1L
62
CAPÍTULO IV
Realización de un Ondulador Monofásico de Tipo Fotovoltaico.
4.1.3 Puente en H
Figura 4.4. Esquema circuital del puente en H.
J37
Tension_Panel
GND_MPPT
+VCC_MPPT
Control_LFR
GND_MPPT
C52
0.1uF
Itensidad_Panel
GND_MPPT
+ C106
10uF
+ C105
10uF
-VCC_MPPT
GND_MPPT
SW1
RESET
R21
1k
+VCC_MPPT
Control_GIR
R93
100
R94
100
GND_MPPT
D15
BZX85C5V1
C27
0.1uF
GND_MPPT
C26
0.1uF
GND_MPPT
D20
BZX85C5V1
GND_MPPT
SW2
Selector
GND_MPPT
Alpha
Control_GIR
1
2
3
4
5
6
7
8
9
+VCC_MPPT
U5
MCLR
RA4/T0CLK
PGD
VDD
OSC2
OSC1
RB3
GND
PGC
AN0
RA2
RB5
RB2
RA7
RB4
AN1
RB0
J21
ICD_CON
4
5
6
PIC18F1220
RB1
1
2
3
GND_MPPT
18
17
16
15
14
13
12
11
10
6
Y1
20MHz
+VCC_MPPT
C30
0.1uF
GND_MPPT
C32
0.1uF
GND_MPPT
U11
OPA277
+VCC_MPPT
3 +
2 -
C51
0.1uF
GND_MPPT
C28
15pF
C29
15pF
GND_MPPT
Control_LFR
Figura 4.5. Esquema circuital del MPPT.
1
2
3
4
Signal_MPPT
J32
C107
0.1uF
C104
0.1uF
R78
C108 100
15pF
GND_MPPT
R18
C31
1uF
-VCC_MPPT
63
1
2
3
+- 5V 0V
J36
1
2
Shut_Down
Alpha
500k
GND_MPPT
7
8
4
1
CAPÍTULO IV
Realización de un Ondulador Monofásico de Tipo Fotovoltaico.
4.1.4 MPPT.
R80
D19
OPA4277/SO
U22B
7
1k
-VCC_REF
-
6
5
1
R87
1k
D18
1N4148
2
R89
1k
R88
1k
D17
1N4148
R83
100k
R84
100k
9
C98
15pF
R86
100k
-VCC_REF
OPA4277/SO
U22C
8
+VCC_REF
GND_REF
R85
100k
+VCC_REF
10
-
R81
560
GND_REF
C99
15pF
R91
1M
+VCC_REF
14
+VCC_REF
+
+VCC_REF
R82
1k
R92
12 +
13 -
U22D
OPA4277/SO 1N4148
+
J26
+ C94
10uF
C96
0.1uF
GND_REF
R90
1k
GND_REF
C59
0.1uF
GND_REF
U23
4
74HC1GU04
G_Ref
Side_R
Side_L
Figura 4.6. Esquema circuital de la referencia para girador y puente en H.
C95
0.1uF
GND_REF
-VCC_REF
1
1k
-VCC_REF
GND_REF
1
2
+ C93
10uF
G_Ref
+VCC_REF
3 +
2 -
U22A
OPA4277/SO
C97
0.1uF
2
1
1
2
3
C92
0.1uF
C102
15pF
Side_R
R44
GND_REF
Side_L
R45
1k
R46
2.2k
20k
-VCC_REF
11
4
+- 5V 0V
J25
1
2
C103
15pF
C101
15pF
C100
15pF
GND_REF
R79
10
GND_REF
11
2
A
Y
1
n.c.
GND_REF
64
G_Ref
J27
1
2
V_Conm
J28
1
2
Vin_AC
GND_REF
GND_REF
4
11
4
5
3
Vcc
GND
4
11
CAPÍTULO IV
Realización de un Ondulador Monofásico de Tipo Fotovoltaico.
4.1.5 Referencia girador.
1
2
+
C113
0.1uF
GND_FA
C115
0.1uF
C109
0.1uF
C112
0.1uF
GND_FA
C23
47uF
+ C116
10uF
VIn_FA
+12_FA
+VCC_FA
GND_FA
FC(SD) V+
CAP+ OSC
GND
LV
CAP- OUT
U9
-VCC_FA
1
2
3
4
8
7
6
5
+
+VCC_FA
GND_FA
C24
47uF
GND_FA
VIn_FA
VIn_FA
C25
0.1uF
GND_FA
D22
SB160A
GND_FA
C53
1uF
GND_FA
D26
SB160A
GND_FA
C55
1uF
GND_FA
-VCC_FA
C122
1nF C121
GND_FA
C126
1nF C124
GND_FA
D21
1N4148
C117
0.1uF
330pF
R99 68k
100k R96
D25
1N4148
C123
0.1uF
330pF
R102 68k
20k R104
GND_FA
GND_FA
GND_FA
GND_FA
GND_FA
GND_FA
1
2
3
4
5
6
7
8
L6
SGND
100uH
SGND
SW_L
U24
VBST
PWRGND
VOUT
SW_H
VIN
SS
SHDN
BURST_EN VBIAS
VC
VFB
SGNG
LT3433
SGND
L7
SGND
SW_L
SGND
220uH
VBST
VOUT
PWRGND
VFB
VC
SS
SHDN
BURST_EN VBIAS
VIN
SW_H
U25
500k
R97
1
2
3
4
5
6
7
8
SGNG
LT3433
SGND
500k
R100
16
15
13
14
12
11
10
9
16
15
13
14
12
11
10
9
GND_FA
GND_FA
GND_FA
GND_FA
GND_FA
GND_FA
D23
SB120A
C120
0.1uF
GND_FA
D27
SB120A
C128
0.1uF
GND_FA
+
C54
47uF
C56
47uF
GND_FA
D24
1N4148
C119
0.1uF
GND_FA
+
GND_FA
D28
1N4148
C127
0.1uF
GND_FA
+VCC_FA
+12_FA
Figura 4.7. Esquema circuital de la fuente de alimentación.
J39
Panel
J40
1
2
+12 0 V
J38
1
2
3
+5 0 -5 V
C22
1uF
GND_FA
LM2662
65
1
2
1
2
1
2
1
2
CAPÍTULO IV
Realización de un Ondulador Monofásico de Tipo Fotovoltaico.
4.1.6 Fuente de alimentación.
Realización de un Ondulador Monofásico de Tipo Fotovoltaico.
CAPÍTULO IV
4.2 Layout
En el siguiente apartado se muestran los layouts de pistas y de componentes de los
circuitos impresos realizados para montar el prototipo del ondulador. Los circuitos se han
diseñado intentando minimizar el espacio requerido y que su construcción sea posible
utilizando la tecnología disponible en el laboratorio. En nuestro caso, la tecnología
disponible nos permite crear circuitos impresos a doble cara mediante el procedimiento de
revelado y ataque. El mínimo grosor de pista permitido es de 0,4 mm y su espesor es de
35 μm con acabado estañado.
Para el diseño de los circuitos impresos se han tenido en cuenta la facilidad de montaje
de los componentes y, aunque no fuera propósito de este proyecto, la conservación dentro
de lo posible de la compatibilidad electromagnética de los prototipos creados. Los circuitos
construidos han mantenido la independencia de los módulos creados en el diseño del
proyecto permitiendo su fácil intercambio o corrección independiente sin necesidad de
reconstruir todo el ondulador. Aunque el diseño de los módulos se ha hecho de manera
global los conectores se han colocando de manera que se reduzca la máximo posible el
cableado externo. En la siguiente imagen se muestra el planteamiento para la distribución
de los diferentes circuitos impresos que componen el ondulador.
PUENTE H
LFR
MPPT
GIRADOR
POWER
REFEREN
Figura 4.8. Distribución de los diferentes circuitos del ondulador.
Las líneas de puntos y las de rayas corresponden a la alimentación de los módulos, las
líneas de trazo continuo indican las zonas de transmisión de potencia. En trazo y punto
están las líneas de envío de referencias al LFR, girador y puente en H. Finalmente, en trazo
y dos puntos están las líneas de adquisición de datos por parte del MPPT y la referencia
para el girador-puente.
66
Realización de un Ondulador Monofásico de Tipo Fotovoltaico.
4.2.1 LFR
Figura 4.9. Layout de componentes para el LFR.
Figura 4.10. Top layout para el LFR.
67
CAPÍTULO IV
Realización de un Ondulador Monofásico de Tipo Fotovoltaico.
Figura 4.11. Bottom layout para el LFR.
4.2.2 Girador
Figura 4.12. Layout de componentes para el girador.
68
CAPÍTULO IV
Realización de un Ondulador Monofásico de Tipo Fotovoltaico.
Figura 4.13. Top layout para el girador.
Figura 4.14. Bottom layout para el girador.
69
CAPÍTULO IV
Realización de un Ondulador Monofásico de Tipo Fotovoltaico.
4.2.3 Puente en H
Figura 4.15. Layout de componentes para el puente en H.
Figura 4.16. Bottom layout para el puente en H.
4.2.4 MPPT
Figura 4.17. Layout de componentes para el MPPT.
70
CAPÍTULO IV
Realización de un Ondulador Monofásico de Tipo Fotovoltaico.
Figura 4.18. Top layout para el MPPT.
Figura 4.19. Bottom layout para el MPPT.
4.2.5 Referencia girador
Figura 4.20. Layout de componentes para la referencia del girador.
Figura 4.21. Top layout para la referencia del girador.
71
CAPÍTULO IV
Realización de un Ondulador Monofásico de Tipo Fotovoltaico.
Figura 4.22. Bottom layout para la referencia del girador.
4.2.6 Fuente de alimentación
Figura 4.23. Layout de componentes para la fuente de alimentación.
Figura 4.24. Top layout para la fuente de alimentación.
Figura 4.25. Bottom layout para la fuente de alimentación.
72
CAPÍTULO IV
Realización de un Ondulador Monofásico de Tipo Fotovoltaico.
CAPÍTULO IV
4.3 Montaje del prototipo del ondulador
Un vez realizados los circuitos impresos ya se podrá proceder al montaje de los
componentes de cada módulo del ondulador. Con todos los componentes soldados sobre el
circuito impreso se procede a la instalación del disipador. Una vez montados todos los
elementos se procedió a realizar las conexiones eléctricas entre los diferentes módulos y a
verificar el funcionamiento del ondulador
A continuación, se muestran los diferentes módulos y el ondulador completamente
ensamblados.
Figura 4.26. Montaje del LFR.
Figura 4.27. Montaje del MPPT.
73
Realización de un Ondulador Monofásico de Tipo Fotovoltaico.
Figura 4.28. Montaje del girador tipo G.
Figura 4.29. Montaje de la referencia para el girador.
74
CAPÍTULO IV
Realización de un Ondulador Monofásico de Tipo Fotovoltaico.
CAPÍTULO IV
Figura 4.30. Montaje del puente en H.
En la siguiente imagen tenemos todos los módulos que conforman el ondulador. En
la parte superior tenemos el primer conjunto LFR+MPPT y girador, en la parte inferior esta
en paralelo al primero el segundo conjunto. Ambos confluyen en el puente en H en la parte
superior derecha de la imagen. Por debajo del puente en H está la referencia para los
giradores y por ultimo en la esquina inferior derecha esta el transformador.
Figura 4.31. Ondulador completo con conexiones eléctricas entre los diferentes módulos.
75
Realización de un Ondulador Monofásico de Tipo Fotovoltaico.
CAPÍTULO V
5 Medidas de laboratorio.
En el siguiente apartado se verificará el funcionamiento del prototipo construido.
Para ello realizaremos medidas de las principales variables del ondulador trabajando bajo
diferentes situaciones. Las medidas se tomarán con el osciloscopio de cuatro canales en
color Tektronix TDS754C.
5.1 Funcionamiento del ondulador alimentando una carga resistiva.
Las primeras medidas se realizarán con el ondulador conectado a un resistor, en la
siguiente figura se muestra la configuración que tendrá el ondulador y las variables que se
monitorizarán.
Figura 5.1. Ondulador completo con conexiones eléctricas entre los diferentes módulos.
Con un resistor de salida, Rout, en el puente H de 3 Ω y con una resistencia R1 fija se
mostrará el comportamiento del ondulador con una sola etapa LFR-Girador para diferentes
tensiones e intensidades de entrada para el LFR. La asignación de los canales del
osciloscopio es la siguiente:
Canal
1
2
3
4
Señal
Gref
Iin_LFR_1
Iin_Gir_1
Iout_HB
Tabla 5.1. Asignación canales osciloscopio.
76
Realización de un Ondulador Monofásico de Tipo Fotovoltaico.
CAPÍTULO V
G_Ref
Iin_LFR_1
G_Ref
Iin_Gir_1
Iin_Gir_1
Iout_HB
Iout_HB
Iin_LFR_1
Figura 5.2. Funcionando el girador tipo G
con un convertidor BIF. Vin_LFR_1 = 30 V,
Iin_LFR_1 = 5,2 A, Rout,= 3 Ω.
Figura 5.3. Funcionando el girador con un
convertidor buck.Vin_LFR_1 = 30 V,
Iin_LFR_1 = 5,2 A, Rout,= 3 Ω.
Como se puede ver en las figuras 5.2 y 5.3 la intensidad de entrada del girador tiene
formas completamente diferentes. Esta es la diferencia de utilizar un convertidor BIF o un
buck para implementar el girador. Como ya se vio anteriormente el filtro de entrada
además de eliminar la naturaleza pulsante de la corriente de entrada en el convertidor buck,
nos permitía estabilizar el funcionamiento del buck. Los resultados con el filtro de entrada
son visiblemente mejores reduciendo la distorsión de la corriente de salida en el girador.
Puesto que la variable 1, referencia del girador, no varía con el tiempo y en la figura
5.2 se constata que el girador sigue la referencia, en las siguientes medias de hará la
asignación de los canales del osciloscopio que se muestra a continuación:
Canal
1
2
3
4
Señal
Vin_Gir_1
Iin_LFR_1
Iin_Gir_1
Iout_HB
Tabla 5.2. Asignación canales osciloscopio.
Vin_Gir_1
Vin_Gir_1
Iin_LFR_1
Iin_LFR_1
Iin_Gir_1
Iin_Gir_1
Iout_HB
Iout_HB
Figura 5.4. Funcionamiento del ondulador
con carga constante, Rout,= 3 Ω, para
Vin_LFR_1 = 30 V, Iin_LFR_1 = 5,2 A.
Figura 5.5. Funcionamiento del ondulador
con carga constante, Rout,= 3 Ω, para
Vin_LFR_1 = 25 V, Iin_LFR_1 = 4,2 A.
77
Realización de un Ondulador Monofásico de Tipo Fotovoltaico.
CAPÍTULO V
Vin_Gir_1
Vin_Gir_1
Iin_LFR_1
Iin_LFR_1
Iin_Gir_1
Iin_Gir_1
Iout_HB
Iout_HB
Figura 5.7. Funcionamiento del ondulador
con carga constante, Rout,= 3 Ω, para
Vin_LFR = 15V, Iin_LFR = 2,2 A.
Figura 5.6. Funcionamiento del ondulador
con carga constante, Rout,= 3 Ω, para
Vin_LFR = 20 V, Iin_LFR = 3,2 A.
En el conjunto de gráficas anterior se puede observar como para una carga resistiva
fija Rout, en el puente H de 3 Ω el ondulador funciona correctamente, siguiendo la consigna
dada por el rectificador de precisión y manteniendo una corriente senoidal en su salida.
Puesto que la potencia disponible en la entrada del ondulador se va reduciendo la potencia
que entrega el ondulador también se reduce progresivamente disminuyendo la intensidad
que el ondulador envía a la carga.
Aunque con la carga resistiva esta gráfica no aporta mucha información se ha
cambiado la variable del canal 1 por Vout_HB y se visualiza lo siguiente.
Vout_Hb
Iin_LFR_1
Iin_Gir_1
Iout_HB
Figura 5.8. Funcionamiento del ondulador con carga constante, Rout,=
3Ω, para Vin_LFR = 30V, Iin_LFR =5,2A.
El equilibrio establecido entre la potencia de entrada y de salida del ondulador se
podrá mantener siempre que el LFR no llegué a su máxima tensión de salida de 46 V y que
el girador trabaje con una tensión de salida inferior a la tensión de entrada. En el caso de la
carga resistiva la primera condición se podrá cumplir ajustando el valor g y la segunda
78
Realización de un Ondulador Monofásico de Tipo Fotovoltaico.
CAPÍTULO V
condición se cumplirá siempre que la carga conectada al ondulador sea lo suficientemente
pequeña de manera que se evite que la salida del girador se “sature”.
Para observar este efecto de saturación de la salida del girador aumentamos la
resistencia conectada en la salida del ondulador a 10 Ω. De esta manera toda la potencia
que absorbe el LFR no puede ser absorbida por el girador que “satura” su salida, al mismo
tiempo la tensión de salida del LFR lleva a su máximo permitido y ha de reducir la
potencia que absorbe de la fuente. Esta situación no se dará cuando el ondulador trabaje
conectado a red pero es interesante observarla para hacernos una idea de cómo funciona el
conjunto LFR-girador.
Vin_Gir_1
Iin_LFR_1
Iin_Gir_1
Iout_HB
Figura 5.9. Funcionamiento del ondulador con carga constante, Rout,=
10 Ω, para Vin_LFR = 30 V, Iin_LFR =5,2 A. La carga es demasiado
grande y el girador no puede seguir la consigna.
A continuación, se calculará el rendimiento obtenido por el LFR y el girador del
ondulador. Las expresiones utilizadas son:
η LFR =
VLFR _ OUT ·I LFR _ OUT
η GIR =
VGIR _ OUT ·I LFR _ OUT
VLFR _ IN ·I LFR _ IN
VGIR _ IN ·I LFR _ IN
·100 =
PLFR _ OUT
·100 =
PGIR _ OUT
PLFR _ IN
PGIR _ IN
·100
·100
(5.1)
(5.2)
Los resultados obtenidos después de realizar medidas experimentales sobre el
prototipo son los siguientes.
Potencia entrada
LFR (W)
156,6
106,0
64,0
33,0
Potencia salida
LFR (W)
135,6
90,0
54,4
29,1
Rendimiento
LFR (%)
86,6
84,9
85,0
88,2
Potencia salida
girador(W)
104,4
69,4
42,0
20,6
Tabla 5.3. Rendimiento aproximado del ondulador.
79
Rendimiento
GIR (%)
77,0
77,1
77,2
70,8
Realización de un Ondulador Monofásico de Tipo Fotovoltaico.
CAPÍTULO V
5.2 Funcionamiento del ondulador bajo perturbaciones.
Hasta ahora hemos visto el funcionamiento del ondulador en régimen estacionario.
Para verificar su funcionamiento dinámico se introducirán perturbaciones en la potencia de
entrada y en la carga conectada en la salida.
Las perturbaciones en la carga consistirán en cambiar la carga del ondulador de 2,5 Ω
a 5 Ω para ver el comportamiento del girador. La medidas ser realizarán para diferentes
potencias de entrada.
Canal
Señal
1
Control carga
2
Vin_Gir_1
3
Vout_HB
4
Iout_HB
Tabla 5.4. Asignación canales osciloscopio.
Como era de esperar la corriente en la salida del girador se mantiene estable y el
girador varía la tensión de salida para adaptarse a la nueva carga conectada.
Control Carga
Control Carga
Vin_Gir_1
Vin_Gir_1
Vout_HB
Vout_HB
Iout_HB
Iout_HB
Figura 5.10. Funcionamiento del ondulador
con carga variable, Rout,= 5 Ω – 2,5 Ω,
Vin_LFR = 30 V, Iin_LFR =5,2 A.
Figura 5.11. Funcionamiento del ondulador
con carga variable, Rout,= 5 Ω – 2,5 Ω,
Vin_LFR = 24,8 V, Iin_LFR = 4 A.
Control Carga
Vin_Gir_1
Vout_HB
Iout_HB
Figura 5.12. Funcionamiento del ondulador con carga variable, Rout,= 5
Ω – 2,5 Ω, Vin_LFR = 14,5 V, Iin_LFR =2 A.
80
Realización de un Ondulador Monofásico de Tipo Fotovoltaico.
CAPÍTULO V
Si se observa con detalle la intensidad de salida del ondulador presenta una pequeña
oscilación después de cada cambio en el valor de la carga. Esta oscilación es debida a la
oscilación que aparece en la tensión de entrada al girador que en consecuencia, dado que la
intensidad de salida en el girador será I = g·V, al variar V variará I. Cada vez que varían las
condiciones de trabajo del ondulador se establece un nuevo punto de equilibrio y aparecerá
un transitorio en la intensidad de salida que durará hasta que la tensión del condensador
conectado en la salida del LFR lleve a régimen estacionario.
En la siguientes gráficas tenemos la respuesta del ondulador variando la tensión en la
entrada del LFR. La configuración de las entradas del osciloscopio es la siguiente:
Canal
1
2
3
4
Señal
Vin_Gir_1
Vin_LFR_1
Iin_LFR_1
Iout_HB
Tabla 5.5. Asignación canales osciloscopio.
Para poder observar la respuesta con más detalle se han hecho dos medidas de la
respuesta para la misma perturbación pero con diferentes tiempos de duración de captura,
en la primera 2 segundos y en la segunda 1.
Vin_Gir_1
Vin_Gir_1
Vin_LFR_1
Vin_LFR_1
Iin_LFR_1
Iin_LFR_1
Iout_HB
Iout_HB
Figura 5.13. Funcionamiento del ondulador
con tensión de entrada variable Vin_LFR =
15 V -30 V, Rout,=3 Ω.
Figura 5.14 Funcionamiento del ondulador
con tensión de entrada variable Vin_LFR =
15 V -30 V, Rout,=3 Ω.
Como se puede observar, la respuesta en la salida del ondulador está muy
amortiguada debido a la gran capacidad que tiene el LFR en su salida y que permiten
estabilizar la tensión. Por este motivo, cuando se desconecta la fuente de alimentación el
ondulador sigue transfiriendo potencia a la carga procedente de los mencionados
condensadores. Por otro lado, aunque inicialmente la tensión de entrada al girador es más
grande que cero no se inicial el proceso de ondulación debido a que la tensión no llega al
mínimo permitido para ondular.
81
Realización de un Ondulador Monofásico de Tipo Fotovoltaico.
CAPÍTULO V
5.3 Funcionamiento de etapas LFR-Girador en paralelo.
Una vez comprobado el funcionamiento de un ondulador con una sola etapa LFRGirador comprobaremos el funcionamiento de las dos etapas conectadas en paralelo
trabajando sobre una resistencia de 3 Ω y posteriormente sobre el transformador para hacer
la conexión a red. Primeramente, veremos la respuesta de los onduladores alimentando una
carga resistiva con la siguiente asignación de las entradas del osciloscopio.
Canal
1
2
3
4
Señal
Gref
Iout_Gir_1
Iout_Gir_2
Iout_HB
Tabla 5.6. Asignación canales osciloscopio.
Gref
Gref
Iout_Gir_1
Iout_Gir_1
Iout_Gir_2
Iout_Gir_2
Iout_HB
Iout_HB
Figura 5.15. Funcionamiento de dos etapas
LFR-Girador en paralelo con Rout,=3 Ω,
Vin_LFR_1 = 30 V, Iin_LFR_1 =5,2 A,
Vin_LFR_2 = 0 V, Iin_LFR_2 =0 A.
Figura 5.16. Funcionamiento de dos etapas
LFR-Girador en paralelo con Rout, = 3 Ω,
Vin_LFR_1 = 0 V, Iin_LFR_1 =0 A,
Vin_LFR_2 = 22 V, Iin_LFR_2 =2,1 A.
Gref
Iout_Gir_1
Iout_Gir_2
Iout_HB
Figura 5.17. Funcionamiento de dos etapas LFR-Girador en paralelo
con Rout,=3 Ω, Vin_LFR_1 = 14,5 V, Iin_LFR_1 =2 A, Vin_LFR_2 =
14,5 V, Iin_LFR_2 =2 A.
82
Realización de un Ondulador Monofásico de Tipo Fotovoltaico.
CAPÍTULO V
En la figura 5.15 se muestra el funcionamiento del ondulador cuando aporta
intensidad sólo la etapa LFR-girador 1. En la siguiente figura se muestra el funcionamiento
cuando está activa la etapa número dos. Por último, en la figura 5.17 se ve el
funcionamiento del ondulador con las dos etapas aportando intensidad. Como era de
esperar las intensidades aportadas por cada uno de los giradores se unen sumándose para
dar una intensidad de salida mayor.
Otro aspecto a destacar en la figura 5.16 es el hecho que la corriente de salida del
girador está distorsionada. Este efecto se debe a que la etapa LFR-girador número dos
pertenece a la primera versión de placas realizadas. En la segunda versión de placas se
introdujo una mejora en el trazado de las pistas con la que se consiguió reducir el ruido
generado por el convertidor conmutado a la vez que el control estaba menos expuesto al
ruido. Esta mejora repercute en la calidad de la señal que puede generar por lo que se
diferencia respecto la etapa número 2 que tiene una peor corriente de salida.
Seguidamente se comprueba el funcionamiento del sistema trabajando sobre el
transformador, es decir, inyectando corriente en la red eléctrica. Cambiaremos la señal
asignada a la entrada uno del osciloscopio para poder ver la tensión en la salida del puente
en H.
Canal
1
2
3
4
Señal
Vout_HB
Iout_Gir_1
Iout_Gir_2
Iout_HB
Tabla 5.7. Asignación canales osciloscopio.
Vout_HB
Vout_HB
Iout_Gir_1
Iout_Gir_1
Iout_Gir_2
Iout_Gir_2
Iout_HB
Iout_HB
Figura 5.19. Funcionamiento del ondulador
conectado a red con Vin_LFR_1 = 0 V,
Iin_LFR_1 =0 A, Vin_LFR_2 = 22 V,
Iin_LFR_2 =2,1 A.
Figura 5.18. Funcionamiento del ondulador
conectado a red con Vin_LFR_1 = 30 V,
Iin_LFR_1 =5,2 A, Vin_LFR_2 = 0 V,
Iin_LFR_2 =0 A.
83
Realización de un Ondulador Monofásico de Tipo Fotovoltaico.
CAPÍTULO V
Vout_HB
Iout_Gir_1
Iout_Gir_2
Iout_HB
Figura 5.20. Funcionamiento del ondulador conectado a red con
Vin_LFR_1 = 14,5 V, Iin_LFR_1 =2 A, Vin_LFR_2 = 14,5 V, Iin_LFR_2
=2 A.
Los resultados obtenidos son análogos a los conseguidos en la anterior medición, por
lo que se considera que la conexión a red ha sido conseguida satisfactoriamente.
84
Realización de un Ondulador Monofásico de Tipo Fotovoltaico.
CAPÍTULO VI
6 Conclusiones y trabajo futuro.
En este proyecto se ha podido desarrollar con éxito un ondulador monofásico de tipo
fotovoltaico para conexión a red eléctrica. Los objetivos marcados inicialmente de
potencia, modularidad, optimización de la energía entregada por los módulos fotovoltaicos
y paralelización de etapas de potencia han sido alcanzados satisfactoriamente. Se ha
validado el correcto funcionamiento de los giradores tipo G controlados por deslizamiento
para la generación de una corriente senoidal rectificada y la interacción con el convertidor
boost implementado una resistencia libre de pérdidas también ha sido lograda.
Como punto de mejora o trabajo futuro en el prototipo desarrollado destacaría en
primer lugar la reducción de interferencias electromagnéticas. Aunque durante el
desarrollo del prototipo se tuvieron en cuenta criterios básicos de interferencias
electromagnéticas aun es posible mejorar sustancialmente el comportamiento del equipo.
Debido a la naturaleza de los circuitos utilizados, básicamente convertidores conmutados,
la presencia de ruido altera el correcto funcionamiento del control que es susceptible a
errores por el acoplamiento de ruido externo. Otro aspecto mejorable del prototipo es el
rendimiento conseguido durante la transformación energética. Debido a la constitución del
ondulador la energía ha de pasar por 3 conversiones primero en el LFR, a continuación, en
el girador y finalmente en el transformador. Por un lado, se puede intentar minimizar las
pérdidas en los propios circuitos utilizando tecnología SMD que permitiría reducir el
tamaño de los circuitos. También se podría plantear la opción de usar IGBTs y reducir
ligeramente la frecuencia de trabajo del sistema para reducir las perdidas en los elementos
de conmutación.
Figura 6.1. Diferentes encapsulados through hole y SMD.
Otra opción para reducir las perdidas sería eliminar una de las etapas de conversión.
La única que puede ser eliminada sin alterar la funcionalidad del ondulador es el
transformador. Esta opción implicaría hacer trabajar al LFR y al girador con tensiones más
elevadas para alcanzar la tensión red y se perdería el aislamiento galvánico entre la red y el
ondulador. La estructura de este ondulador sería la mostrada en la figura 6.2.
85
Realización de un Ondulador Monofásico de Tipo Fotovoltaico.
V
V
Panel
FV
I
I
t
I
LFR
CAPÍTULO VI
t
t
Red
Eléctrica
Puente
H
Girador
MPPT
Rectificador
Figura 6.2. Conexión directa a red sin transformador.
Aunque el equipo desarrollado no es más que un prototipo sería interesante
incorporar un sistema de supervisión externo que controlara y monitorizara el ondulador.
Este sistema podría observar situaciones anómalas como sobretensión, tensión baja,
sobretemperatura, sobreintesidad, fallo de sincronismo y proteger al ondulador.
En la figura 6.3 se muestra otra opción de trabajo futuro que consistiría en la
reutilización del ondulador construido para otras aplicaciones. Partiendo de la misma
estructura propuesta, variando el control de girador y añadiendo un generador de señal
senoidal interno se podría conseguir un ondulador fotovoltaico autónomo. Este permitiría
alimentar cargas eléctricas a partir de baterías y paneles solares. Del mismo modo,
cambiando la consiga del girador se podría conseguir fácilmente un corrector de reactiva
permitiendo trabajar al ondulador como si de un carga capacitiva se tratase, adelantando la
corriente respecto de la tensión.
V
V
I
t
I
Panel
FV
I
t
LFR
t
Puente
H
Girador
MPPT
Lazo control
Figura 6.3. Estructura del ondulador autónomo.
Gracias a su modularidad y posibilidad de conexión en cascada el desarrollo de un
ondulador de mayor potencia sólo requeriría la conexión de diferentes onduladores de poca
potencia que serían relativamente fáciles de manejar pero que en la práctica podrán
desarrollar una gran potencia al sumar el esfuerzo conjunto. Este hecho también plantea
posibilidades a la hora de regular la potencia entregada por el ondulador de una manera
más sencilla y eficiente. Por otro lado, si se conectan onduladores que inyectan corriente
86
Realización de un Ondulador Monofásico de Tipo Fotovoltaico.
CAPÍTULO VI
desfasadas 120º se puede construir un ondulador trifásico modular como se muestra en la
figura 6.4.
V
I
V
Panel
FV
a
t
t
I
Girador
+
Puente H
LFR
MPPT
V
I
V
I
Panel
FV
b
t
t
Girador
+
Puente H
LFR
Red
Eléctrica
MPPT
V
t
t
I
Panel
FV
c
I
V
LFR
Girador
+
Puente H
MPPT
Figura 6.4. Ondulador trifásico.
Personalmente, este proyecto me ha resultado muy interesante puesto que he podido
trabajar en un ámbito en plena expansión como es el de las energías renovables y la
electrónica de potencia. Aunque en el proyecto se ha desarrollado un prototipo que queda
lejos de una sistema comercial creo que se marca una posible vía para el desarrollo de
nuevos onduladores basados en el concepto de giradores de potencia tipo G.
87
Realización de un Ondulador Monofásico de Tipo Fotovoltaico.
CAPÍTULO VII
7 Referencias Bibliográficas.
[1] Á. Cid Pastor. 2005. Energy Processing by Means of Power Gyrators. Tesis
Doctoral, UPC.
[2] A. Cid-Pastor, L. Martínez-Salamero, U. Ribes y A. El Aroudi. 2007. Análisis y
diseño de un resistor libre de pérdidas basado en un convertidor elevador
controlado en modo deslizante. Artículo IEEE, URV.
[3] R. Leyva-Grasa, C. Alonso, I. Queinnec, A. Cid-Pastor, D. Lagrange, L. MartínezSalamero. 2005. MPPT of Photovoltaic Systems using Extremum-Seeking Control.
Artículo IEEE, URV.
[4] Úrsula Ribes Mallada. 2007. Síntesis de Resistores Libres de Pérdidas. PFC, URV.
[5] S. Singer. 1990. Realization of loss-free resistive elements. IEEE Transactions on
Circuits and Systems.
[6] José Francisco Cugat Curto. 2003. Ondulador Monofásico Para Aplicaciones
Fotovoltaicas: Análisis y Simulación. PFC, URV.
[7] Ángel Cid Pastor, Corinne Alonso, Jose F. Cugat-Curto, Bruno Estibals, Luis
Martinez-Salamero. Design of Feedback Laws for DC-TO-AC conversion in
Photovoltaic Systems. Artículo IEE, URV.
[8] Alain Bilbao Learreta. 2006. Réalisation de Commandes MPPT Numériques. PFC,
URV –LAAS-CNRS
[9] Alberto Andrés Bretón. 2003. Diseño y construcción de un inversor trifásico
multinivel de cuatro etapas para compensación armónica y de reactivos. PFC,
PUCCH.
[10] Daniel W. Hart. 2001. Electrónica de Potencia. Pearson Educación. ISBN: 84205-3179-0
[11] George Clayton and Steve Winder. 2003. Operational Amplifier 5th ed. Newnes.
ISBN 07506 5914 9
[12] Mark I. Montrose. 2000. Printed Circuit Board Design Techniques for EMC
Compliance 2nd ed. IEE Press. ISBN 0-7803-5376-5
[13] Jonathan Adams. Bootstrap Component Selection For Control IC’s. Design Tips
International Rectifier.
[14] Diversas páginas web y hojas de características de componentes:
http://www.earth-policy.org/
http://en.wikipedia.org/
88
Realización de un Ondulador Monofásico de Tipo Fotovoltaico.
http://energiasolarfotovoltaica.blogspot.com/
http://espana.fotovoltaikshop.de/
http://es.rs-online.com/
http://www.irf.com/
http://www.farnell.com/
http://www.amidata.es/
http://www.analog.com/
http://www.isofoton.es/
89
CAPÍTULO VII
Realización de un Ondulador Monofásico de Tipo Fotovoltaico.
ANEXOS
8 Anexos.
8.1 Anexo 1. Código C del programa para la MPPT.
//Programa en C para control del MPPT digital para PIC18F1220.
//Version original PFC MPPT Digital de A.Bilbao.
//Adaptado para PFC Ondulador Monofásico por D. Hernando.
#include <p18f1220.h>
#pragma config WDT = OFF
//Variables globales
unsigned char derivada_pot,tension_baja,intensidad_baja;
unsigned short int i,H,m;
unsigned short int tension_alta,tension_convertida,tension_alta_total;
unsigned short int intensidad_alta,intensidad_convertida;
unsigned short int intensidad_alta_total,tension_panel;
unsigned long int potencia,potencia_old,potencia_total;
/* Funcion de interrupcion del Timer 0: El timer0 genera una interrupción al
desbordarse. La variable H se pone 1. Paramos el timer0 para que vuelva a
empezar con el valor deseado introducido por software (en nuestro caso sera de
20ms) .*/
void traiteIT (void);
#pragma code it=0x08
void saut_sur_spIT (void)
{
_asm
goto traiteIT
_endasm
}
#pragma code
#pragma interrupt traiteIT
void traiteIT (void)
{
if (INTCONbits.TMR0IF)
{
INTCONbits.TMR0IF=0; // Flag de interrupcion del timer 0
H=1; // Indica que el timer ha finalizado
TMR0H=0x37; // Cargamos el valor al timer 0.
TMR0L=0x10; // Conseguimos un retardo de 20ms.
T0CONbits.TMR0ON=0;// Reinicializacion del timer 0
}
}
/*Funcion de inicializacion: Configuramos todos los registros del PIC para el
buen funcionamiento del sistema */
void configurar_registros (void)
{
i=0; m=0; H=1; potencia=0;
potencia_old=0;
ADRESH=0x00; // Poner a 0 el registro de conversion mas alto
ADRESL=0x00; // Poner a 0 el registro de conversion mas bajo
//TIMER 0
INTCONbits.TMR0IE=1; // Permitimos la int. por desbordamiento del timer0
INTCONbits.GIEH=1; // Permitimos todas las interrupciones enmascaradas
INTCONbits.TMR0IF=0; //Desactivamos el flag del timer0
INTCON2=0x00; //Todas las int. seran en el flanco de bajada
INTCON3=0x00; //Deshabilitamos las interrupciones externas
PIR1=0x00; //Deshabilitamos los flags de los timer 1 y2
90
Realización de un Ondulador Monofásico de Tipo Fotovoltaico.
ANEXOS
PIE1=0x00; /*deshabilitamos la interrupcion de conversion y no permitimos
la interrupción de los timers 1 y 2*/
IPR1=0x00; /*Configuramos la prioridad de las interrupciones como baja
(conversor, comparador, timer1 y 2*/
PIR2=0x00; //Deshabilitamos el flag del timer3
PIE2=0x00; //No permitimos la interrupcion del timer3
IPR2=0x00; /* Configuramos la prioridad de las interrupciones como baja
(fallo en el oscilador, memoria EEPROM, detector nivel bajo, timer3)*/
RCON=0x00; //Deshabilitamos la prioridad de nivel en las interrupciones
T0CON=0x00; //Configuramos el timer 0 con un valor de 20ms.
//Conversion analogico-digital
ADCON1=0x7C; // Config. de los pines AN0 y AN1 como entradas analogicas
ADCON2=0x92; // Resultado justificado a izquierda
//Perifericos
PORTA=0x00;
TRISA=0x03; //AN0 y AN1 configuradas como entradas
PORTB=0x00;
TRISB=0x00; //Puerto B configurado como salida
}
/*Funcion de conversion de intensidad: Convertimos la intensidad del panel al
valor de referencia del PIC (5V) .*/
unsigned short int intensidad (void)
{
intensidad_alta=0; intensidad_alta_total=0;
intensidad_baja=0;
for (i=0;i<1;i++) { }
ADCON0=0x05;
for (i=0;i<10;i++){ }
ADCON0=0x07; /* Corriente de conversion: conversion en el canal 1, empieza
la conversion */
while (ADCON0!=0x05) { }
intensidad_alta=ADRESH; /* Se guardan los 8 bits altos de la conversión
en el registro ADRESH */
intensidad_alta_total=intensidad_alta<<8; /* Realizamos un desplazamiento
para capturar posteriormente los dos bits de menor peso de la conversion ya
que utilizamos una conversion sobre 10 bits*/
intensidad_baja=ADRESL;
//Se
guardan
los
2
bits
de
menor
peso
en
el
regsitro
ADRESL
intensidad_convertida=intensidad_alta_total+intensidad_baja;
//Capturamos los 10 bits de la conversión (intensidad convertida)
return (intensidad_convertida); }
/*Funcion de conversion de tension: Convertimos la tension del panel al
valor de tension de referencia del PIC18F1220 (5V) para poder trabajar.*/
unsigned short int tension (void)
{
tension_alta=0; tension_alta_total=0;
tension_baja=0;
for (i=0;i<1;i++) { }//Esperamos un poco antes de empezar la conversion
ADCON0=0x01;
for (i=0;i<10;i++) { } //Tiempo de adquisicion correcta de la señal
91
Realización de un Ondulador Monofásico de Tipo Fotovoltaico.
ANEXOS
ADCON0=0x03; /* Tension de conversion: conversion en el canal 0, empieza la
conversion*/
while (ADCON0!=0x01) { } // Esperamos hasta finalizar conversion
tension_alta=ADRESH; /*Guardamos los valores de la tension
convertida en los registros de conversion del PIC*/
tension_alta_total=tension_alta<<8;
tension_baja=ADRESL;
tension_convertida=tension_alta_total+tension_baja; //Tension convert.
return (tension_convertida);
}
//Funcion calculo de potencia
unsigned long int calculo_potencia (void)
{
unsigned long int x,y;
x=tension(); // Conversion tension.
y=intensidad(); // Conversion corriente.
potencia_total= x * y; // Calculo de la potencia: producto de V*I.
return (potencia_total);
}
/*Funcion calculo de potencia media: Calculamos la potencia media de la señal
para posteriormente hacer un mejor cálculo de la derivada de potencia, para
aislar los ruidos de las señales analógicas y obtener una mejor resolucion de
la grafica de potencia.*/
unsigned long int potencia_media (void)
{
unsigned long potencia_media_total ,muestreos_P,c_potencia;
potencia_media_total=0;
muestreos_P=0;
c_potencia=0;
for (m=0;m<40;m++) //Muestreamos 40 puntos de la grafica de potencia
{
c_potencia=calculo_potencia();
/*Para hacer el muestreo vamos capturando los valores, los
sumando y posteriormente los dividimos por 2*/
muestreos_P=muestreos_P+c_potencia;
potencia_media_total=muestreos_P>>1;
}
vamos
return (potencia_media_total);
}
/*Funcion de cálculo de derivada: Calculamos la derivada de potencia para
detectar las variaciones de la potencia. Si nos acercamos o nos alejamos del
punto maximo de potencia.*/
unsigned char derivada_potencia (void)
{
unsigned char derivada;
potencia = potencia_media(); //Capturamos un valor de potencia
if (potencia>(potencia_old+300)) //Se coloca un poco de histerésis.
{
derivada=1; //Si es mayor, la derivada es positiva
PORTBbits.RB0=1; //Visualizamos el valor de la variable derivada
potencia_old = potencia; //El valor anterior pasa a ser el actual.
}
else if (potencia< (potencia_old-300))
92
Realización de un Ondulador Monofásico de Tipo Fotovoltaico.
ANEXOS
{
derivada=0;
PORTBbits.RB0=0; //Visualizamos el valor de la variable derivada
potencia_old = potencia; //El valor anterior pasa a ser el actual.
}
return (derivada);
}
// ********* PROGRAMA PRINCIPAL ********* //
void main ()
{
configurar_registros();
tension_panel=tension ();
if (tension_panel<0x2B9)
{
PORTBbits .RB1=1; //alpha
} else
{
PORTBbits . RB1=0;
}
while(1)
{
derivada_pot = derivada_potencia();//Capturamos el valor de la derivada
if ((derivada_pot==1)&&(PORTBbits.RB1==1))
{
PORTBbits.RB1=1;
}
else if ((derivada_pot==0)&&(PORTBbits.RB1==1))
{
if (H==0)
{
PORTBbits.RB1=1;
}
else
{
PORTBbits.RB1=0; H=0;
T0CONbits.TMR0ON=1;
}
}
else if ((derivada_pot==1)&& (PORTBbits .RB1==0))
{
PORTBbits.RB1=0;
}
else if ((derivada_pot==0)&&(PORTBbits.RB1==0))
{
if (H==0)
{
PORTBbits.RB1=0;
}
else
{
PORTBbits.RB1=1;
H=0;
T0CONbits.TMR0ON=1;
}
}
else
{
}
}
}
93
Realización de un Ondulador Monofásico de Tipo Fotovoltaico.
ANEXOS
8.2 Anexo 2. Presupuesto de materiales.
En el siguiente anexo se detalla el presupuesto de materiales necesarios para realizar
el prototipo del ondulador propuesto en este proyecto. En el primer apartado tenemos el
listado de materiales y en el segundo apartado la aplicación de precios.
8.2.1 Listado de materiales ondulador.
Código
211-549
211-5558
315-0855
228-6947
211-4864
544-4483
545-2872
348-6479
417-098
361-7667
361-7673
334-9229
1190604
543-0541
293-549
148-506
148-972
144-015
150-638
150-571
366-8592
522-0142
148-871
522-0237
148-736
149-161
164-160
149-105
1023254
545-7631
523-0105
533-8186
Denominación
C35, C36, C40, C44,
C46, C47, C49, C50,
C69, C70, C72, C74,
C76, C77, C78, C79,
C91
C37, C41, C45, C73
C38
C39, C42, C43, C48,
C75
C68, C71
D12
D13, D14
D16
F2
J20, J22, J24, J33,
J35
J23
L3, L4
L5
M6
Q2
R19, R36, R38, R60,
R63
R25
R26, R65
R27
R28
R31
R34, R53, R54, R61
R35, R70, R71
R51
R59, R64, R77
R67
R68
R69
U3
U12
U13
U14
Concepto
Uds.
Condens. cerámico radial Z5U,100 nF 50 Vdc
17
Condens. cerámico radial Z5U,1,0 uF 50 Vdc
Condens. electro Al radial FC,120 uF 50 V
4
1
Condens. electro. Al radial M,10 uF 63 V
5
Condens. cerámico radial C0G,15 pF 100 V
Diodo Zener 15 V, BZX79C15 500 mW
Diodo de barrera Schottky, MBR1045 10 A 45 V
Diodo rectificador, MUR160 1A 600 V
Portafusibles PCB perfil bajo, 5x20 mm, 6,3 A
2
1
2
1
1
Terminal PCB con tornillo 2 vías, 5 mm
1
Terminal PCB con tornillo 3 vías, 5 mm
Inductor supresor almacenaje/interf., 22 μH 5 A
Núcleo Ferrita, 36X23X15 N30 150 μH
Transistor MOSFET IRLIZ44NPBF
Transistor NPN, BC109 0,1 A, 5 V
1
2
1
1
1
Resistor película de carbón 0,25 W 1 kΩ
5
Resistor película de carbón 0,25 W 100 kΩ
Resistor película de carbón 0,25 W 10 Ω
Resistor película de carbón 0,5 W 2,2 Ω
Resistor película de carbón 0,5 W 1,2 Ω
Resistor sensor al aire libre, R010 1W
Pot. multiv., estrecho de ajuste sup.,10 mm,500 mW, 20kΩ
Resistor película de carbón 0,25W 39k
Pot. multiv., estrecho de ajuste sup.,10 mm,500 mW, 500 kΩ
Resistor película de carbón 0,25 W 10 kΩ
Resistor película de carbón 0,25 W 560 kΩ
Resistor película de carbón 0,25 W 100 Ω
Resistor película de carbón 0,25 W 330 kΩ
IC - MOSFET Driver HI Side IR2125PBF
IC - INA195AI Current Shunt Monitor 100 V/V
IC - Analogue multiplier, AD835AN DIP8, 150 MHz
IC -Comparador, LM311N 200 ns DIP8
1
2
1
1
1
4
3
1
3
1
1
1
1
1
1
1
Tabla 8.1. Listado materiales girador tipo G.
94
Realización de un Ondulador Monofásico de Tipo Fotovoltaico.
Código
211-549
228-6947
211-5542
339-6887
315-0855
211-4864
545-2872
545-2917
812-617
544-4483
417-098
361-7667
361-7673
228-595
543-0541
293-549
289-6831
366-8592
148-635
148-506
144-015
148-972
148-815
522-0142
522-0237
148-736
164-160
545-7631
1292284
523-0105
533-8186
Denominación
C6, C9, C18, C19,
C33, C34, C61, C62,
C63, C64, C65, C80,
C83, C86, C88
C10, C81, C82, C85
C11, C12, C15, C16,
C17
C13, C14
C60
C84, C87, C89, C90
D7
D8
D9
D10
F1
J13, J14
J17
L1
M5
Q1
RV1
R11
R12, R22
R13, R30, R57, R74
R14
R15, R73
R17
R37, R55, R58, R66
R56
R72
R75, R76
U6
U7
U18
U20
Concepto
ANEXOS
Uds.
Condens. cerámico radial Z5U,100 nF 50 Vdc
15
Condens. electro. Al radial M,10 uF 63 V
4
Condens. cerámico radial Z5U,3,3 uF 50 Vdc
5
Condens. electro. Al TSUP,10000 uF 50 V
Condens. electro Al radial FC,120 uF 50 V
Condens. cerámico radial C0G,15 pF 100 V
Diodo de barrera Schottky, MBR1045 10 A, 45 V
Diodo rectificador, MUR840 8 A, 400 V
Diodo Zener 43 V, BZX85 1,3 W
Diodo Zener 15V, BZX79C15 500 mW
Portafusibles PCB perfil bajo, 5x20 mm, 6,3 A
Terminal PCB con tornillo 2 vías, 5 mm
Terminal PCB con tornillo 3 vías, 5 mm
Inductor radial alta corriente,220 uH, 5,5 A
Transistor MOSFET IRLIZ44NPBF
Transistor NPN,BC109 0,1 A, 5 V
Varistor de óxido metálico S14K40 40 Vrms
Resistor sensor al aire libre, R010 1 W
Resistor película de carbón 0,25 W 3,5 kΩ
Resistor película de carbón 0,25 W 1 kΩ
Resistor película de carbón 0,25 W 10 Ω
Resistor película de carbón 0,25 W 100 kΩ
Resistor película de carbón 0,25 W 22 kΩ
Pot. multiv., estrecho de ajuste sup.,10 mm,500 mW, 20 kΩ
Pot. multiv., estrecho de ajuste sup.,10 mm,500 mW, 500 kΩ
Resistor película de carbón 0,25 W 10 kΩ
Resistor película de carbón 0,25 W 100 Ω
IC - INA195AI Current Shunt Monitor 100 V/V
IC - MOSFET Driver LO side 6 A, TC4420EPA
IC - Analogue multiplier, AD835AN DIP8 150 MHz
IC -Comparador, LM311N 200 ns DIP8
2
1
4
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
2
4
1
2
1
4
1
1
2
1
1
1
1
Tabla 8.2. Listado materiales LFR Boost.
Código
211-549
228-6947
348-6479
544-4483
361-7667
543-0541
144-015
148-972
1023254
Denominación
C1, C2, C3, C4, C5,
C110
C57
D1, D4
D2, D3, D5, D6
J1, J2, J3, J4
M1, M2, M3, M4
R2, R3, R7, R8
R4, R5, R9, R10
U1, U2
Concepto
Uds.
Condens. cerámico radial Z5U,100 nF 50 Vdc
6
Condens. electro. Al radial M,10 uF 63 V
Diodo rectificador, MUR160 1A 600 Vrrm
Diodo Zener 15 V, BZX79C15 500 mW
Terminal PCB con tornillo 2 vías, 5 mm
Transistor MOSFET IRLIZ44NPBF
Resistor película de carbón 0,25 W 10 Ω
Resistor película de carbón 0,25 W 100 kΩ
IC - MOSFET Driver HI & LO Side IR2301PBF
1
2
4
1
4
4
4
2
Tabla 8.3. Listado materiales puente en H.
95
Realización de un Ondulador Monofásico de Tipo Fotovoltaico.
Código
Denominación
211-5558
228-6644
C22, C53, C55
C23, C24, C54, C56
C25, C109, C112,
C113, C115, C117,
C119, C120, C123,
C127, C128
C116
C121, C124
C122, C126
D21, D24, D25, D28
D22, D26
D23, D27
J38
J39, J40
L6
L7
R96
R97, R100
R99, R102
R104
U9
U24, U25
211-549
228-6947
538-1168
405-7690
544-3480
1336539
1336539
361-7673
361-7667
540-8639
540-868
148-972
522-0237
148-938
148-809
533-3951
1273809
Concepto
ANEXOS
Uds.
Condens. cerámico radial Z5U,1.0uF 50 Vdc
Condens. electro. Al radial M,47uF 16 V
3
4
Condens. cerámico radial Z5U,100 nF 50 Vdc
11
Condens. electro. Al radial M,10 uF 63 V
Condens. cerámico radial X7R,1 nF 100 V
Condens. cerámico de lenteja,330pF 500 V
Diodo pequeña señal,1N4148 0,2 A 100 V,20pc
Diodo de barrera Schottky, SB160 1A 60V
Diodo de barrera Schottky, SB160 1A 60V
Terminal PCB con tornillo 3 vías, 5 mm
Terminal PCB con tornillo 2 vías, 5 mm
Inductor radial 100UH 0,82 A
Inductor radial 220UH 0,58 A
Resistor película de carbón 0,25 W 100 kΩ
Pot. multiv., estrecho de ajuste sup.,10 mm,500 mW, 500 kΩ
Resistor película de carbón 0,25 W 68 kΩ
Resistor película de carbón 0,25 W 20 kΩ
IC - Charge pump DC-DC converter, LM2662M SO8
IC - DC/DC UP/DOWN converter LT3433
1
2
2
4
2
2
1
1
1
1
1
2
2
1
1
2
Tabla 8.4. Listado materiales fuente de alimentación.
Código
211-549
211-4864
211-5558
228-6947
812-392
240-0929
361-7673
361-7667
522-0237
148-506
164-160
378-6296
251-8682
467-1937
307-1667
226-1853
Denominación
C26, C27, C30, C32,
C51, C52, C104,
C107
C28, C29, C108
C31
C105, C106
D15, D20
J21
J32
J36
R18
R21
R78, R93, R94
SW1
SW2
U5
U11
Y1
Concepto
Uds.
Condens. cerámico radial Z5U,100 nF 50 Vdc
8
Condens. cerámico radial C0G,15 pF 100 V
Condens. cerámico radial Z5U,1.0 uF 50 Vdc
Condens. electro. Al radial M,10 uF 63 V
Diodo Zener 5.1 V,BZX85 1.3 W
Conector hembra en a/r para PCB 6/6 vías
Terminal PCB con tornillo 3 vías, 5 mm
Terminal PCB con tornillo 2 vías, 5 mm
Pot. multiv., estrecho de ajuste sup.,10 mm,500 mW, 500 k
Resistor película de carbón 0,25 W 1k
Resistor película de carbón 0,25 W 100
Interruptor táctil,6x3,5x4,3mm 320gf
Puente conex. 2vías,paso/alt 2,54/5,97 mm
IC - Microcontroller, PIC18F1220-I/P 40 MHz
IC - Amp operacional precisión, OPA277PA DIP8
Cristal, 20 MHz HC49
3
1
2
2
1
1
1
1
1
3
1
1
1
1
1
Tabla 8.5. Listado materiales MPPT.
96
Realización de un Ondulador Monofásico de Tipo Fotovoltaico.
Código
211-549
228-6947
211-4864
544-3480
361-7667
361-7673
522-0142
148-506
148-584
144-015
144-217
148-972
149-228
1097452
1085252
Denominación
C59, C92, C95, C96,
C97
C93, C94
C98, C99, C100,
C101, C102, C103
D17, D18, D19
J25, J27, J28
J26
R44
R45, R80, R82, R87,
R88, R89, R90, R92
R46
R79
R81
R83, R84, R85, R86
R91
U22
U23
ANEXOS
Concepto
Uds.
Condens. cerámico radial Z5U,100 nF 50 Vdc
5
Condens. electro. Al radial M,10 uF 63 V
2
Condens. cerámico radial C0G,15pF 100 V
6
Diodo pequeña señal,1N4148, 0,2 A, 100 V
Terminal PCB con tornillo 2 vías, 5 mm
Terminal PCB con tornillo 3 vías, 5 mm
Pot. multiv., estrecho de ajuste sup.,10 mm,500 mW, 20 kΩ
3
1
1
1
Resistor película de carbón 0,25W 1 kΩ
8
Resistor película de carbón 0,25W 2,2 kΩ
Resistor película de carbón 0,25W 10 Ω
Resistor película de carbón 0,25W 560 Ω
Resistor película de carbón 0,25W 100 kΩ
Resistor película de carbón 0,25W 1 MΩ
IC - AO cuádruple alta precisión, OPA4277
IC - SM 74HC1GU04 puerta lógica inversora
1
1
1
4
1
1
1
Tabla 8.6. Listado materiales referencia girador.
8.2.2 Aplicación de precios.
Código
Concepto
Uds.
Precio
211-549
211-5558
315-0855
228-6947
211-4864
544-4483
545-2872
348-6479
417-098
361-7667
361-7673
334-9229
1190604
543-0541
293-549
148-506
148-972
144-015
150-638
150-571
366-8592
522-0142
148-871
522-0237
148-736
149-161
164-160
Condens. cerámico radial Z5U,100 nF 50 Vdc
Condens. cerámico radial Z5U,1,0 uF 50 Vdc
Condens. electro Al radial FC,120 uF 50 V
Condens. electro. Al radial M,10 uF 63 V
Condens. cerámico radial C0G,15 pF 100 V
Diodo Zener 15 V, BZX79C15 500 mW
Diodo de barrera Schottky, MBR1045 10 A 45 V
Diodo rectificador, MUR160 1A 600 V
Portafusibles PCB perfil bajo, 5x20 mm, 6,3 A
Terminal PCB con tornillo 2 vías, 5 mm
Terminal PCB con tornillo 3 vías, 5 mm
Inductor supresor almacenaje/interf., 22 μH 5 A
Núcleo Ferrita, 36X23X15 N30 150 μH
Transistor MOSFET IRLIZ44NPBF
Transistor NPN, BC109 0,1 A, 5 V
Resistor película de carbón 0,25 W 1 kΩ
Resistor película de carbón 0,25 W 100 kΩ
Resistor película de carbón 0,25 W 10 Ω
Resistor película de carbón 0,5 W 2,2 Ω
Resistor película de carbón 0,5 W 1,2 Ω
Resistor sensor al aire libre, R010 1W
Pot. multiv., estrecho de ajuste sup.,10 mm,500 mW, 20kΩ
Resistor película de carbón 0,25W 39k
Pot. multiv., estrecho de ajuste sup.,10 mm,500 mW, 500 kΩ
Resistor película de carbón 0,25 W 10 kΩ
Resistor película de carbón 0,25 W 560 kΩ
Resistor película de carbón 0,25 W 100 Ω
17
4
1
5
2
1
2
1
1
1
1
2
1
1
1
5
1
2
1
1
1
4
3
1
3
1
1
0,12 €
0,45 €
0,39 €
0,07 €
0,17 €
0,15 €
1,30 €
0,22 €
0,79 €
0,46 €
0,67 €
2,22 €
6,31 €
2,41 €
0,48 €
0,05 €
0,05 €
0,05 €
0,05 €
0,05 €
1,09 €
1,83 €
0,05 €
1,83 €
0,05 €
0,05 €
0,05 €
97
Subtotal
2,04 €
1,80 €
0,39 €
0,35 €
0,34 €
0,15 €
2,60 €
0,22 €
0,79 €
0,46 €
0,67 €
4,44 €
6,31 €
2,41 €
0,48 €
0,25 €
0,05 €
0,10 €
0,05 €
0,05 €
1,09 €
7,32 €
0,15 €
1,83 €
0,15 €
0,05 €
0,05 €
Realización de un Ondulador Monofásico de Tipo Fotovoltaico.
Código
149-105
1023254
545-7631
523-0105
533-8186
Concepto
ANEXOS
Uds.
Precio
Subtotal
1
1
1
1
1
0,05 €
12,66 €
1,62 €
27,01 €
0,41 €
0,05 €
12,66 €
1,62 €
27,01 €
0,41 €
Resistor película de carbón 0,25 W 330 kΩ
IC - MOSFET Driver HI Side IR2125PBF
IC - INA195AI Current Shunt Monitor 100 V/V
IC - Analogue multiplier, AD835AN DIP8, 150 MHz
IC -Comparador, LM311N 200 ns DIP8
TOTAL: 76,34 €
Tabla 8.7. Aplicación de precios girador tipo G.
Código
Concepto
Uds.
Precio
Subtotal
211-549
228-6947
211-5542
339-6887
315-0855
211-4864
545-2872
545-2917
812-617
544-4483
417-098
361-7667
361-7673
228-595
543-0541
293-549
289-6831
366-8592
148-635
148-506
144-015
148-972
148-815
522-0142
522-0237
148-736
164-160
545-7631
1292284
523-0105
533-8186
Condens. cerámico radial Z5U,100 nF 50 Vdc
Condens. electro. Al radial M,10 uF 63 V
Condens. cerámico radial Z5U,3,3 uF 50 Vdc
Condens. electro. Al TSUP,10000 uF 50 V
Condens. electro Al radial FC,120 uF 50 V
Condens. cerámico radial C0G,15 pF 100 V
Diodo de barrera Schottky, MBR1045 10 A, 45 V
Diodo rectificador, MUR840 8 A, 400 V
Diodo Zener 43 V, BZX85 1,3 W
Diodo Zener 15V, BZX79C15 500 mW
Portafusibles PCB perfil bajo, 5x20 mm, 6,3 A
Terminal PCB con tornillo 2 vías, 5 mm
Terminal PCB con tornillo 3 vías, 5 mm
Inductor radial alta corriente,220 uH, 5,5 A
Transistor MOSFET IRLIZ44NPBF
Transistor NPN,BC109 0,1 A, 5 V
Varistor de óxido metálico S14K40 40 Vrms
Resistor sensor al aire libre, R010 1 W
Resistor película de carbón 0,25 W 3,5 kΩ
Resistor película de carbón 0,25 W 1 kΩ
Resistor película de carbón 0,25 W 10 Ω
Resistor película de carbón 0,25 W 100 kΩ
Resistor película de carbón 0,25 W 22 kΩ
Pot. multiv., estrecho de ajuste sup.,10 mm,500 mW, 20 kΩ
Pot. multiv., estrecho de ajuste sup.,10 mm,500 mW, 500 kΩ
Resistor película de carbón 0,25 W 10 kΩ
Resistor película de carbón 0,25 W 100 Ω
IC - INA195AI Current Shunt Monitor 100 V/V
IC - MOSFET Driver LO side 6 A, TC4420EPA
IC - Analogue multiplier, AD835AN DIP8 150 MHz
IC -Comparador, LM311N 200 ns DIP8
15
4
5
2
1
4
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
2
4
1
2
1
4
1
1
2
1
1
1
1
0,12 €
0,07 €
1,37 €
5,34 €
0,39 €
0,17 €
1,30 €
0,80 €
0,20 €
0,15 €
0,79 €
0,46 €
0,67 €
5,49 €
2,41 €
0,48 €
0,46 €
1,09 €
0,05 €
0,05 €
0,05 €
0,05 €
0,05 €
1,83 €
1,83 €
0,05 €
0,05 €
1,62 €
1,19 €
27,01 €
0,41 €
1,80 €
0,28 €
6,85 €
10,68 €
0,39 €
0,68 €
1,30 €
0,80 €
0,20 €
0,15 €
0,79 €
0,46 €
0,67 €
5,49 €
2,41 €
0,48 €
0,46 €
1,09 €
0,10 €
0,20 €
0,05 €
0,10 €
0,05 €
7,32 €
1,83 €
0,05 €
0,10 €
1,62 €
1,19 €
27,01 €
0,41 €
TOTAL:
75,01 €
Tabla 8.8. Aplicación de precios LFR Boost.
98
Realización de un Ondulador Monofásico de Tipo Fotovoltaico.
Código
211-549
228-6947
348-6479
544-4483
361-7667
543-0541
144-015
148-972
1023254
Concepto
Condens. cerámico radial Z5U,100 nF 50 Vdc
Condens. electro. Al radial M,10 uF 63 V
Diodo rectificador, MUR160 1A 600 Vrrm
Diodo Zener 15 V, BZX79C15 500 mW
Terminal PCB con tornillo 2 vías, 5 mm
Transistor MOSFET IRLIZ44NPBF
Resistor película de carbón 0,25 W 10 Ω
Resistor película de carbón 0,25 W 100 kΩ
IC - MOSFET Driver HI & LO Side IR2301PBF
ANEXOS
Uds.
Precio
6
1
2
4
1
4
4
4
2
0,12 €
0,07 €
0,22 €
0,15 €
0,46 €
2,41 €
0,05 €
0,05 €
2,35 €
Subtotal
0,72 €
0,07 €
0,44 €
0,60 €
0,46 €
9,64 €
0,20 €
0,20 €
4,70 €
TOTAL: 17,03 €
Tabla 8.9. Aplicación de precios puente H.
Código
Concepto
Uds.
Precio
211-5558
228-6644
211-549
228-6947
538-1168
405-7690
544-3480
1336539
1336539
361-7673
361-7667
540-8639
540-868
148-972
522-0237
148-938
148-809
533-3951
1273809
Condens. cerámico radial Z5U,1.0uF 50 Vdc
Condens. electro. Al radial M,47uF 16 V
Condens. cerámico radial Z5U,100 nF 50 Vdc
Condens. electro. Al radial M,10 uF 63 V
Condens. cerámico radial X7R,1 nF 100 V
Condens. cerámico de lenteja,330pF 500 V
Diodo pequeña señal,1N4148 0,2 A 100 V,20pc
Diodo de barrera Schottky, SB160 1A 60V
Diodo de barrera Schottky, SB160 1A 60V
Terminal PCB con tornillo 3 vías, 5 mm
Terminal PCB con tornillo 2 vías, 5 mm
Inductor radial 100UH 0,82 A
Inductor radial 220UH 0,58 A
Resistor película de carbón 0,25 W 100 kΩ
Pot. multiv., estrecho de ajuste sup.,10 mm,500 mW, 500 kΩ
Resistor película de carbón 0,25 W 68 kΩ
Resistor película de carbón 0,25 W 20 kΩ
IC - Charge pump DC-DC converter, LM2662M SO8
IC - DC/DC UP/DOWN converter LT3433
3
4
11
1
2
2
4
2
2
1
1
1
1
1
2
2
1
1
2
0,45 €
0,07 €
0,12 €
0,07 €
0,10 €
0,11 €
0,07 €
0,35 €
0,35 €
0,67 €
0,46 €
0,73 €
0,73 €
0,05 €
1,83 €
0,05 €
0,05 €
3,25 €
6,85 €
Subtotal
1,35 €
0,28 €
1,32 €
0,07 €
0,20 €
0,22 €
0,28 €
0,71 €
0,71 €
0,67 €
0,46 €
0,73 €
0,73 €
0,05 €
3,66 €
0,10 €
0,05 €
3,25 €
13,70 €
TOTAL: 28,53 €
Tabla 8.10. Aplicación de precios fuente de alimentación.
Código
211-549
211-4864
211-5558
228-6947
812-392
240-0929
361-7673
361-7667
522-0237
Concepto
Condens. cerámico radial Z5U,100 nF 50 Vdc
Condens. cerámico radial C0G,15 pF 100 V
Condens. cerámico radial Z5U,1.0 uF 50 Vdc
Condens. electro. Al radial M,10 uF 63 V
Diodo Zener 5.1 V,BZX85 1.3 W
Conector hembra en a/r para PCB 6/6 vías
Terminal PCB con tornillo 3 vías, 5 mm
Terminal PCB con tornillo 2 vías, 5 mm
Pot. multiv., estrecho de ajuste sup.,10 mm,500 mW, 500 k
99
Uds.
Precio
8
3
1
2
2
1
1
1
1
0,12 €
0,17 €
0,45 €
0,07 €
0,20 €
1,48 €
0,67 €
0,46 €
1,83 €
Subtotal
0,96 €
0,51 €
0,45 €
0,14 €
0,40 €
1,48 €
0,67 €
0,46 €
1,83 €
Realización de un Ondulador Monofásico de Tipo Fotovoltaico.
Código
148-506
164-160
378-6296
251-8682
467-1937
307-1667
226-1853
ANEXOS
Concepto
Resistor película de carbón 0,25 W 1k
Resistor película de carbón 0,25 W 100
Interruptor táctil,6x3,5x4,3mm 320gf
Puente conex. 2vías,paso/alt 2,54/5,97 mm
IC - Microcontroller, PIC18F1220-I/P 40 MHz
IC - Amp operacional precisión, OPA277PA DIP8
Cristal, 20 MHz HC49
Uds.
Precio
1
3
1
1
1
1
1
0,05 €
0,05 €
0,28 €
0,31 €
5,97 €
1,97 €
0,59 €
Subtotal
0,05 €
0,15 €
0,28 €
0,31 €
5,97 €
1,97 €
0,59 €
TOTAL: 16,22 €
Tabla 8.11. Aplicación de precios MPPT.
Código
211-549
228-6947
211-4864
544-3480
361-7667
361-7673
522-0142
148-506
148-584
144-015
144-217
148-972
149-228
1097452
1085252
Concepto
Condens. cerámico radial Z5U,100 nF 50 Vdc
Condens. electro. Al radial M,10 uF 63 V
Condens. cerámico radial C0G,15pF 100 V
Diodo pequeña señal,1N4148, 0,2 A, 100 V
Terminal PCB con tornillo 2 vías, 5 mm
Terminal PCB con tornillo 3 vías, 5 mm
Pot. multiv., estrecho de ajuste sup.,10 mm,500 mW, 20 kΩ
Resistor película de carbón 0,25W 1 kΩ
Resistor película de carbón 0,25W 2,2 kΩ
Resistor película de carbón 0,25W 10 Ω
Resistor película de carbón 0,25W 560 Ω
Resistor película de carbón 0,25W 100 kΩ
Resistor película de carbón 0,25W 1 MΩ
IC - AO cuádruple alta precisión, OPA4277
IC - SM 74HC1GU04 puerta lógica inversora
Uds.
Precio
5
2
6
3
1
1
1
8
1
1
1
4
1
1
1
0,12 €
0,07 €
0,17 €
0,07 €
0,46 €
0,67 €
1,83 €
0,05 €
0,05 €
0,05 €
0,05 €
0,05 €
0,05 €
6,74 €
0,19 €
Subtotal
0,60 €
0,14 €
1,02 €
0,21 €
0,46 €
0,67 €
1,83 €
0,40 €
0,05 €
0,05 €
0,05 €
0,20 €
0,05 €
6,74 €
0,19 €
TOTAL: 12,66 €
Tabla 8.12. Aplicación de precios referencia girador.
8.2.3 Precio prototipo ondulador.
Concepto
LFR Boost
MPPT
Girador tipo G
Referencia girador
Puente en H
Fuente de alimentación
Transformador
Disipadores
Tornillería
Cableado
Uds.
Precio
Subtotal
2
2
2
1
1
1
1
3
1
1
75,01 €
16,22 €
76,34 €
12,66 €
17,03 €
28,53 €
33,22 €
5,82 €
0,52 €
1,02 €
150,02 €
32,44 €
152,68 €
12,66 €
17,03 €
28,53 €
33,22 €
17,46 €
0,52 €
1,02 €
TOTAL: 445,58 €
Tabla 8.13. Precio material prototipo ondulador.
100
Realización de un Ondulador Monofásico de Tipo Fotovoltaico.
ANEXOS
8.3 Anexo 3. Diseño de un girador tipo G basado en BIF.
En el siguiente anexo se presenta el diseño de un girador tipo G basado en un
convertidor BIF, la figura muestra los componentes del BIF.
Figura 8.1. Topología de un BIF.
La expresión de la ecuación característica de un girador tipo G basado en un
convertidor BIF viene dada por:
⎛
1 ⎞
⎜⎜ s +
⎟ P( s) = 0
RC 2 ⎟⎠
⎝
(A4.1)
donde,
⎛ 1
1
1
g2R ⎞ 2 ⎛ 1
g2R ⎞
⎜
⎟
⎜
⎟⎟ s +
+
−
−
·s + ⎜
P( s) = s + ⎜
⎟
⎝ Rd C d Rd C1 C1 ⎠
⎝ L1C1 Rd C d C1 ⎠ L1C1 Rd C d
3
(A4.2)
Si P(s) se escribe como P ( s ) = s 3 + ms 2 + ns + p , el polinomio no deberá tener sus
raíces en el semiplano derecho, con las siguientes condiciones dadas por el criterio de
Routh se cumplirá.
m>0
n>0
p>0
mn-p>0
(A4.3)
Aplicando las condiciones de (A4.3) al polinomio (A4.2) tenemos
Rd C d <
C1 + C d
g 2R
Rd C d > g 2 RL1
1
>0
L1C1 Rd C d
(A4.4)
(A4.5)
(A4.6)
g 2 RRd C d + g 2 RL1 (C1 + C d ) < ( g 4 R 2 L1 + C d ) Rd C d
2
2
101
(A4.7)
Realización de un Ondulador Monofásico de Tipo Fotovoltaico.
ANEXOS
Se puede observar que (A4.6) se cumple siempre. (A4.4) y (A4.5) establecen el
margen de valor de Rd C d para un sistema estable. Por otro lado, la expresión (A4.7) se
puede expresar de la siguiente forma
y = ax 2 + bx + c < 0
(A4.8)
donde, x = Rd C d y a > 0, b < 0 y c > 0.
Por lo tanto (A4.8) puede expresarse como
(
)
y = g 2 Rx 2 + g 4 R 2 L1 + C d x + g 2 RL1 (C1 + C d ) < 0
(A4.9)
La ecuación (A4.8) se representa en la figura 8.2 donde X1 y X2 están dados por
x1 =
− b − b 2 − 4ac
2a
Y
x1 <
x2 =
−b
< x2
2a
− b + b 2 − 4ac
2a
(A4.10)
(A4.11)
Que nos lleva a
g 2 RL1
C
+ 2d < x2
(A4.12)
2
2g R
C
g RL
min( Rd C d ) < 2 1 + 2d < max( Rd C d )
(A4.13)
2
2g R
x1 <
También podemos escribir
Rd C d <
C1 + C d
g 2 RL1
(A4.14)
Rd C d > g 2 RL1
(A4.15)
Figura 8.2. Representación genérica de la función (A4.9)
102
Realización de un Ondulador Monofásico de Tipo Fotovoltaico.
ANEXOS
Los límites mostrados en (A4.12)-(A4.15) se resumen en la siguiente figura.
Figura 8.3. Región de estabilidad en función de RdCd.
Además, el término
b 2 − 4ac
es igual a
2a
(g
b 2 − 4ac
=
2a
R 2 L1 + C d
)
2
− 4 g 2 R 2 L1 (C1 + C d )
2g 2 R
=
g 8 R 4 L1 + C d + 4 g 2 R 2 L1C1 − 2 g 2 R 2 L1C d
2
=
4
2
(A4.16)
2g 2 R
La expresión (A4.16) puede ser simplificada asumiendo
C d = 4 g 2 R 2 L1C1 − 2 g 2 R 2 L1C d
2
(A4.17)
Con lo que tenemos lo siguiente
C d = g 4 R 2 L1 + g 8 R 4 L1 + 4 g 2 R 2 L1C1
2
Cd > 0
(A4.18)
Tomando C d obtenido en (A4.17) obtenemos los siguientes valores para X1 y X2.
x1 =
Cd
2g 2 R
x2 = g 2 RL1 +
(A4.19)
Cd
2g 2 R
(A4.20)
De (A4.19) y (A4.20) se obtiene que
min( Rd C d ) < x1 y x2 < max( Rd C d )
(A4.21)
El análisis previo se resume en un algoritmo de diseño representado en el siguiente
diagrama de flujo.
103
Realización de un Ondulador Monofásico de Tipo Fotovoltaico.
ANEXOS
Seleccionar L1, C1, L2,
C2, R y g de las
especificaciones del
girador
Cd = g 4 R 2 L1 + g 8 R 4 L1 + 4 g 2 R 2 L1C1
2
x1 =
Cd
2g 2R
x2 = g 2 RL1 +
Cd
2g 2 R
Elegir Rd para que
x1 < Rd C d < x2
¿Buen
transitorio?
Fin del diseño
Figura 8.4. Algoritmo de diseño para Rd y Cd en un giradorRegión de
estabilidad en función de RdCd.
104