topologia de paneles.doc

Microsoft Word - TESIS IMPRESION FINAL

cenidetCentro Nacional de Investigacin y Desarrollo TecnolgicoDepartamento de Ingeniera ElectrnicaTESIS DE MAESTRA EN CIENCIASConfiabilidad de inversores integrados en sistemas fotovoltaicos conectados a redpresentada por

Enrique Contreras Martnezcomo requisito para la obtencin del grado de:

Maestra en Ciencias en Ingeniera ElectrnicaDirector de tesis:Dr. Hugo Calleja GjumlichJurado:Dr. Abraham Claudio SnchezPresidenteDr. Jess Aguayo AlquiciraSecretarioDr. Hugo Calleja GjumlichVocalCuernavaca, Morelos, Mxico.Marzo de 2008

TABLA DE CONTENIDOSimbologaIV Lista de tablas y figurasVI IntroduccinIX AbstractXI CAPTULO 1

ANTECEDENTES1.1Energa solar 1

1.2Sistemas fotovoltaicos 2

1.2.1 Paneles solares21.2.2 Elementos de almacenamiento de energa3

1.2.3 Inversores31.3Propuesta de tesis 4

1.3.1 Descripcin del problema41.3.2 Planteamiento del problema41.3.3 Justificacin51.3.4 Objetivo general5

1.3.5 Objetivos particulares51.3.6 Propuesta51.3.7 Alcances61.3.8 Aportaciones6

1.3.9 Metodologa61.4Estado del arte1.4.1 Criterios de comparacin7

CAPTULO 2

SELECCIN DE TOPOLOGAS2.1Evolucin de los inversores para sistemas fotovoltaicos 10

2.1.1Inversores centrales10

2.1.2Inversores para cadena13

2.1.3Inversores para mdulos de CA16

I

2.2Configuraciones para mdulos de CA17

2.2.1 Funciones bsicas del circuito de potencia18

2.2.2 Configuraciones monoetapa18

2.3 Topologas seleccionadasCAPTULO 319

DISEO Y SIMULACIN DE INVERSORES

3.1 Especificaciones de diseo22

3.2 Diseo del convertidor elevador [17]23

3.2.1 Forma de operacin23

3.2.2 Ecuaciones de diseo23

3.2.3 Clculo de L y C24

3.3 Diseo del convertidor reductor-elevador [18]24




3.4 Diseo del convertidor reductor-elevador [19]25




3.5 Diseo del convertidor elevador [21]26

3.6 Simulacin26

3.6.1 Simulacin del inversor elevador [17]27

3.6.2 Simulacin del inversor reductor-elevador [18]29

3.6.3 Simulacin del inversor reductor-elevador [19]30

3.7 Formas de onda32

3.7.1 Formas de onda para el convertidor elevador [17]32

3.7.2 Formas de onda para el convertidor reductor-elevador [18]33


3.8 Datos obtenidos a partir de formas de onda35

3.8.1 Esfuerzos mximos35

3.8.2 Prdidas36

3.8.3 Prdidas en funcin de dispositivos semiconductores37

II

CAPTULO 4

CONFIABILIDAD

4.1 Definicin de confiabilidad44

4.2 Confiabilidad y sistemas45

4.2.1 Parmetros de confiabilidad para sistemas continuos45

4.3 Confiabilidad y MIL-HDBK-217 FN248

4.4 RELEX y parmetros de confiabilidad48

4.4.1 Informacin requerida por RELEX48

4.5 Casos seleccionados51

4.5.1 Casos seleccionados para el convertidor [17]51



CAPTULO 5

RESULTADOS

5.1 Condiciones operativas y ambientales53

5.2 Caractersticas del capacitor54

5.3 Resultados de confiabilidad54

5.4 Anlisis de resultados59

Conclusiones61

Referencias64

Apndice A66

Apndice B67

Apndice C68

III

SIMBOLOGAMTFFTiempo promedio a la primera falla, por sus siglas en ingls

MTBFTiempo medio entre fallas, por sus siglas en ingls

CACorriente alterna

CDCorriente directa

PWMModulacin de anchura de pulso, por sus siglas en ingls

THDDistorsin armnica total, por sus siglas en ingls

LInductancia

CCapacitancia

RResistencia de carga

TM1IGBT sin diodo volante integrado

DM1Diodo de recuperacin rpida

M1IGBT con diodo volante integrado IGBT en antiparalelo con diodo de recuperacin rpida



M2IGBT con diodo volante integrado IGBT en antiparalelo con diodo de recuperacin rpida

C1Capacitancia

C2Capacitancia

L1Inductancia

VATensin de salida en el convertidor elevador unidireccional [17]

VBTensin de salida en el convertidor elevador unidireccional [17]

VCTensin de salida en el convertidor reductor-elevador unidireccional [18]

VDTensin de salida en el convertidor reductor-elevador unidireccional [18] VETensin de salida en el convertidor reductor-elevador unidireccional [19] VFTensin de salida en el convertidor reductor-elevador unidireccional [19]

VinTensin de entrada

V1Tensin en el capacitor

V2Tensin en el capacitor

VCDTensin de CD sobre la cual se monta las sinusoide de salida de los convertidores unidireccionales de [17] y [18]

Vop Tensin pico en la carga para los convertidores [17] y [18] VpTensin pico en la carga para el convertidor [19]

Vap Tensin mxima en el capacitor

DCiclo de trabajo

ILPCorriente pico en el inductorDmaxCiclo mximo de trabajofSFrecuencia de conmutacinFFrecuencia de la linea

Po Potencia de salida del convertidorIV

L2Inductancia

TPeriodo de la lnea

T1IGBT

T2IGBT T3IGBT T4IGBT

D1Diodo de recuperacin rpida

D2Diodo de recuperacin rpida TM3IGBT sin diodo volante integrado DM3Diodo de recuperacin rpida

M3IGBT con diodo volante integrado IGBT en antiparalelo con diodo de

recuperacin rpida



M4IGBT con diodo volante integrado IGBT en antiparalelo con diodo de

recuperacin rpida

C2CapacitanciaV

LISTA DE TABLAS Y FIGURASCaptulo 1

Tabla 1.1Criterios de comparacin8

Captulo 2

Figura 2.1Sistema fotovoltaico central10

Figura 2.2Sistema fotovoltaico con inversor auto conmutado sin transformador11

Figura 2.3Sistema fotovoltaico con inversor auto-conmutado con transformador11

Figura 2.4Sistema fotovoltaico de cadena13

Figura 2.5Sistema fotovoltaico de cadena con transformador de alta frecuencia13

Figura 2.6Sistema fotovoltaico multicadena15

Figura 2.7Sistema fotovoltaico conectado para trabajo en equipo (amo-esclavo)16

Figura 2.8Mdulos de CA conectados en paralelo16

Figura 2.9Inversor elevador de cuatro interruptores por Cceres y Barbi [17]20

Figura 2.10Inversor reductor-elevador de cuatro interruptores de conmutacin por

Vzquez et al.[18]20

Figura 2.11Inversor reductor-elevador de cuatro dispositivos de conmutacin por

Kasa et al. [19]20

Figura 2.12Inversor flyback por Kjaer y Blaabjerg [20]21

Captulo 3

Figura 3.1Inversor elevador [17]23

Figura 3.2Inversor reductor-elevador de cuatro interruptores por Vzquez et al.[18]24

Figura 3.3Convertidor elevador bidireccional CD/CD27

Figura 3.4Convertidor reductor-elevador bidireccional CD/CD29

Figura 3.5Convertidores tipo reductor-elevador e inversor31

Figura 3.6Tensin y corriente a 10 kHz [17]32


Figura 3.8.Tensin y corriente a 50 kHz [17]33




Figura 3.12Tensin y corriente a 9.6 kHz [19]34

Tabla 3.1Valores de L y C para el inversor elevador [17]24

Tabla 3.2Valores de L y C para el inversor reductor-elevador [18]25

Tabla 3.3Valores de L y C y parmetros de diseo para el inversor elevador [19]26

Tabla 3.4Esfuerzos mximos en TM1, DM1, DM2, TM2 , y C [17]35

Tabla 3.5Esfuerzos mximos en TM2, DM2, TM1, DM1, y C [18]35

Tabla 3.6Esfuerzos mximos en tensin y en corriente en T1, T3, D1, D2,

y C para [19]35

VI

Tabla 3.7Prdidas por conduccin en Watts para [17]37 considerando Vce =1 V

Tabla 3.8Prdidas por conmutacin en Watts para [17]37considerando tf = tr= 10 nsTabla 3.9Prdidas por conduccin en Watts para [18]37

considerandoVce =1 V

Tabla 3.10Prdidas por conmutacin en Watts para [18]37

considerando tf = tr= 10 nsTabla 3.11Prdidas por conduccin en Watts para [19]37

considerando Vce =1 V

Tabla 3.12Prdidas por conmutacin en Watts para [19]37

considerando tf = tr= 10 ns

Tabla 3.13Caractersticas de los IGBT seleccionados38

(con diodo volante integrado)

Tabla 3.14Caractersticas de los IGBT seleccionados38

(sin diodo volante integrado)

Tabla 3.15Caractersticas de los Diodos de recuperacin rpida38

seleccionados

Tabla 3.16Prdidas en Watts para M1 del inversor elevador [17]39

Tabla 3.17Prdidas en Watts para M2 del inversor elevador [17]39

Tabla 3.18Prdidas en Watts para TM1 del inversor elevador [17]40

Tabla 3.19Prdidas en Watts para TM2 del inversor elevador [17]40

Tabla 3.20Prdidas en Watts para DM1 y DM2 del inversor elevador [17]40

Tabla 3.21Prdidas en Watts para M1 del inversor reductor-elevador [18]41

Tabla 3.22Prdidas en Watts para M2 del inversor reductor-elevador [18]41

Tabla 3.23Prdidas en Watts para TM1 del inversor reductor-elevador [18]42

Tabla 3.24Prdidas en Watts para TM2 del inversor reductor-elevador [18]42

Tabla 3.25Prdidas en Watts para DM1 y DM2 del inversor reductor-elevador [18] 42

Tabla 3.26Prdidas en Watts para T1 del convertidor reductor-elevador [19]43

Tabla 3.27Prdidas en Watts para D1 del convertidor reductor-elevador [19]43

Captulo 4

Tabla 4.1Casos seleccionados para [17] operando a 20 kHz51




Tabla 4.5Casos seleccionados para [19] operando a 9.6 kHz52VII

Captulo 5

Figura 5.1MTBF para los casos de [17] operando a 20 kHz55




Figura 5.5%para los dispositivos de [17] operando a 20 kHz56



Figura 5.8

Figura 5.9%para los dispositivos de [18] operando a 50 kHz

MTBF para los casos de [19] operando a 9.6 kHz58

58

Figura 5.10%para los dispositivos de [19] operando a 9.6 kHz59

VIII

INTRODUCCINUna de las principales fuentes de energa secundaria es la electricidad. La energa elctrica no se encuentra como tal en la naturaleza. Por ello, el proceso para suministrarla conlleva su generacin a partir de fuentes de energa primaria.

Las ventajas potenciales de la conversin fotovoltaica son muy grandes. Es limpia, segura y su eficiencia aumenta constantemente. Incluso se asegura que, una vez solucionados los problemas cientficos y tecnolgicos de los sistemas fotovoltaicos, su costo ser competitivo con el de otras tecnologas empleadas en la generacin de energa elctrica.

En trminos generales, un sistema fotovoltaico, est formado por tres elementos: Celdas fotovoltaicas.

Bancos de bateras.

Etapa de potencia (inversor).

El problema principal en los sistemas fotovoltaicos es su confiabilidad. La confiabilidad se define como la probabilidad de que un sistema realice la funcin para la cual fue diseada, bajo condiciones operativas y ambientales especficas, durante un tiempo determinado. Para conocer la confiabilidad de un sistema se calculan distintos parmetros, dos de ellos son tiempo promedio a la primera falla (MTFF) y tiempo promedio entre fallas (MTBF). El valor de dichos parmetros indica la expectativa que podemos tener de un sistema en trminos de fallas y del tiempo.

El MTFF de los sistemas fotovoltaicos modernos es de cinco aos [1], lo cual indica que el sistema fallar al menos una vez antes cumplir 43,800 horas de operacin. Si MTFF=MTBF, entonces el MTBF indica que una vez reparado y puesto en operacin, el sistema fallar nuevamente antes de 43,800 horas. Los estudios sealan al inversor como la causa de fallo. La etapa de potencia tiene una MTBF considerablemente menor al de las celdas fotovoltaicas, siendo la limitante en el tiempo de vida y, en consecuencia, en la confiabilidad del sistema fotovoltaico.

La meta en la industria de los sistemas fotovoltaicos es disear productos cuyo MTBF no sea inferior a diez aos ( 87,600 horas) [2]. Dado lo anterior, es evidente la necesidad de incrementar el tiempo de vida de la etapa de potencia, lo cual lgicamente llevar a aumentar el tiempo de vida y confiabilidad de los sistemas fotovoltaicos.

Son varias las topologas inversoras empleadas en la industria de los sistemas fotovoltaicos, aunque en trminos de confiabilidad no se tiene preferencia clara hacia alguna de ellas.

IX

La mayora de la informacin y mejoras que se han hecho en la confiabilidad de los inversores se basa en datos de campo. A saber, no existen estudios tericos, al menos publicados, en los que se determine y compare el desempeo de configuraciones inversoras tomando como criterio la confiabilidad. De dicha observacin surge el tema y objetivo de esta tesis.

El objetivo general es realizar un estudio comparativo de algunas topologas inversoras monofsicas integradas empleadas en sistemas fotovoltaicos con posibilidad de conexin a la red de tensin alterna, tomando como criterio principal la confiabilidad. Los objetivos particulares son:

Obtener informacin que permita conocer y mejorar la confiabilidad de algunos inversores monofsicos integrados empleados en sistemas fotovoltaicos.

Obtener datos de confiabilidad que faciliten la seleccin de una topologa integrada para una aplicacin dada.

Obtener resultados que ayuden a mejorar la confiabilidad de los sistemas basados en fuentes de energa no convencionales.

Proponer una metodologa para calcular la confiabilidad de un circuito electrnico a partir de resultados de simulacin. Encontrar las ventajas y desventajas de la metodologa propuesta.

En este documento se presenta el desarrollo, resultados y conclusiones, del trabajo de tesis titulado: Confiabilidad de inversores integrados en sistemas fotovoltaicos conectados a red.

X

ABSTRACTOne of the main sources of secondary energy is electricity. Electric energy is not found as such in nature. For that reason, the process to provide it involves its generation starting from sources of primary energy.

The potential benefits of the fotovoltaic conversin are huge. It is clean, safe and its efficiency increases constantly. Furthermore, it ensures that, once solved the scientific and technological problems of the fotovoltaic systems, the cost will be competitive with the cost of the other technologies used in the generation of the electric energy.

In general terms, a fotovoltaic system, its form by three elements: Fotovoltaic cells.

Banks (stacks) of batteries.Stage of power (inversor).

The main problem in the fotovoltaic systems is its reliability. Reliability is defined as the probability that a system preformed the function that it was designed for, under specific operational and environmental conditions, for a specific duration of time. To know the reliability of a system we calculate several parameters, two of them are average time at the first failure (MTFF) and average time between failures (MTBF). The value of such parameters indicates the expectancy of the system we can have in terms of failure and time.

The MTFF of the modern fotovoltaic systems is 5 years [1], that indicates that the system will fail at least once before it reaches 43,800 hours of operation. If MTFF = MTBF, then MTBF indicates that once repaired and back in operation, it will fail again before it reaches 43800 hours of operation. Studies indicate the inversor is the reason of failure. The stage of power has a MTBF considerably smaller to the fotovoltaic cells, being this the life time limitation, and as a consequence, in the fotovoltaic system reliability.

The goal in the industry of the fotovoltaic systems is to design products with MTBF no less than then years (87,600 hours) (2). Based on this, it is evident the necessity to increase the life time of the stage of power, which logically will increase the life time and reliability of the fotovoltaic systems.

There are several inversor topologies used in the industry of the fotovoltaic systems, but in terms on reliability there is no clear preference of any of them.

Most of the information and the improvements made in the reliability of the inversors are based on field data. To my knowledge, there are no theoretic studies, at least not published, in which have been determined and compared the performance of inversors configurations taking reliability as the main criterion.

XI

The general objective was to perform a comparative study of some integrated monophasic inversors used in fotovoltaic systems with the possibility to connect them to an alternate network, taking reliability as the main factor. The particular objectives were:

To obtain information that will allows to know and to improve the reliability of some monophasic integrated inversors used in fotovoltaic systems.

To obtain reliability data to facilitate the selection of an integrated topology for a specific application.

To obtain results that help to improve the reliability of the systems based on non- conventional sources of energy.

To propose a methodology to calculate the reliability of an electronic circuit based on simulation results. To find the pros and cons of the proposed methodology.

In this document I present the development, results and conclusions of my thesis work named: Reliability of integrated inversors in fotovoltaic systems connected to a network.

XII

Captulo 1ANTECEDENTESSon muy grandes las ventajas potenciales de la conversin fotovoltaica. Es limpia, segura y su eficiencia aumenta constantemente. Incluso se asegura que, una vez solucionados los problemas cientficos y tecnolgicos, su costo ser competitivo con el de otras tecnologas empleadas para la generacin de energa elctrica. Actualmente el problema principal en los sistemas fotovoltaicos es su confiabilidad.

De la observacin mencionada al final del prrafo anterior surge el tema de desarrollo de esta tesis. En el presente captulo se abordan los antecedentes relacionados con el tema y se expone la propuesta formal de este trabajo de investigacin titulado: Confiabilidad de inversores integrados en sistemas fotovoltaicos conectados a red.

1.1 Energa solarLa radiacin solar que alcanza la atmsfera terrestre corresponde a una cantidad de energa de 5 x 1024 joules por ao. Considerando los procesos de reflexin y absorcin en la atmsfera, la radiacin solar que alcanza la superficie terrestre es de aproximadamente un kilowatt/m2. El valor energtico medio por ao del flujo solar al nivel de la superficie terrestre vara de 2 KWh/m2 por da en latitudes como la del norte de Europa a 6 KWh/m2 por da en latitudes correspondientes a las zonas tropicales. Esta radiacin puede convertirse en energa elctrica empleando sistemas fotovoltaicos.

La energa solar que llega a la superficie terrestre equivale a 13 000 veces la produccin mundial actual de energa a partir de combustibles fsiles y uranio. Adems, en algunas zonas de pases como Mxico, los picos de demanda coinciden con las horas de mayor insolacin.

Resulta evidente el porqu una buena opcin para solucionar los problemas de generacin elctrica limpia, econmica y segura, son los generadores basados en sistemas fotovoltaicos.

Se espera que en un futuro sea tal la capacidad instalada de este tipo de sistemas, que contribuya en un buen porcentaje a satisfacer las necesidades de energa elctrica en el mundo. Para lograr esta meta, se requiere mejorar el diseo de los sistemas fotovoltaicos; es decir, solucionar los problemas cientficos y tecnolgicos que presentan.

1

ANTECEDENTES1.2 Sistemas fotovoltaicosLas aplicaciones de los sistemas fotovoltaicos son diversas. Actualmente, el campo de aplicacin al que se dirigen es el residencial. A medida que se incrementa la demanda mundial de energa elctrica, esta aplicacin cobra mayor importancia.

Debido a la evolucin y maduracin de la tecnologa involucrada en los sistemas fotovoltaicos, su eficiencia ha aumentado y su costo ha disminuido.

Por si mismos, los sistemas fotovoltaicos son considerados en la mayora de los casos como generadores independientes y, en ciertas circunstancias, como cogeneradores. Este ltimo caso ocurre cuando al generador le es permitido alimentar a una carga e inyectar energa a una red elctrica.

Las siguientes son las principales caractersticas con las cuales debe de cumplir un sistema fotovoltaico[1] :

-Operacin en el punto de mxima eficiencia.

-Simple, robusto, y confiable.

-Formas de onda de alta calidad.

-Respuesta adecuada ante regmenes de operacin anmalos.

En trminos generales, un sistema fotovoltaico est formado por los siguientes elementos:

1. Paneles solares .

2. Banco de bateras.

3. Etapa de potencia (inversor).

1.2.1 Paneles solaresLos paneles solares estn formados por conjuntos de celdas fotovoltaicas que transforman la energa solar en tensin de corriente directa. Los principales parmetros que caracterizan a una celda son la tensin y corriente que puede generar.

La capacidad de una celda de suministrar determinada magnitud de tensin y corriente depende de la temperatura a la cual opere, de la irradiancia, y del material de que est hecha.

Las celdas estn constituidas principalmente por semiconductores de silicio monocristalino, silicio policristalino, sulfuro de cadmio o sulfuro de cobre.

2

ANTECEDENTESLos mdulos fotovoltaicos estn formados por arreglos de paneles solares; por lo tanto, sus caractersticas dependen del nmero de paneles y de la forma en la que estn conectados (serie, paralelo, etc).

Para las celdas, paneles, y mdulos fotovoltaicos existe una condicin de operacin de potencia mxima, que ocurre bajo determinadas condiciones. A fin de maximizar su aprovechamiento, es deseable asegurar que los elementos mencionados se mantengan operando en ese punto.

En el pasado, el precio del mdulo representaba la mayor parte del costo del sistema fotovoltaico. La disminucin del precio de las celdas ha contribuido a disminuir el costo de paneles y mdulos, con ello ha aumentado el inters de los consumidores por este tipo de tecnologa.

1.2.2 Elementos de almacenamiento de energaLos sistemas fotovoltaicos requieren de sistemas de almacenamiento de energa elctrica (bateras o condensadores).

Los mdulos fotovoltaicos son elementos de un solo cuadrante, debido a ello la necesidad de un condensador o batera dentro de un sistema de conversin fotovoltaico. La explicacin a esta necesidad es sencilla: existen fracciones del tiempo, durante un ciclo de salida del inversor, donde se producen corrientes de retorno hacia el mdulo. Como las celdas no pueden absorber dicha corriente, es necesario un dispositivo que s lo haga y para el caso es adecuado un condensador o una batera.

1.2.3 InversoresEl inversor es una clase especial de convertidor cuya funcin es entregar energa elctrica en CA, a partir de una fuente de CD. Los inversores se emplean en sistemas de alimentacin ininterrumpibles, en control de motores, y para resolver problemas de distorsin en la red elctrica. En general, se puede decir que se utilizan en todas aquellas aplicaciones donde es necesario tener una tensin de salida de CA controlada.

La funcin de un inversor dentro de un sistema fotovoltaico es proporcionar tensin en CA a partir de la tensin en CD dada por el mdulo fotovoltaico. En sistemas fotovoltaicos conectados a red, a la salida del inversor interesa obtener una forma de onda sinusoidal. Se busca que dicha onda tenga una calidad aceptable y que cumpla con lo indicado por la normatividad vigente establecida por los organismos que regulan la conexin de sistemas a red.

La tendencia a la disminucin en el precio de las celdas, paneles, y mdulos solares, ha implicado que el costo del inversor se vuelva significativo en un sistema fotovoltaico.

3

ANTECEDENTESEsto ha generado la necesidad de proponer alternativas en el diseo que disminuyan el costo del inversor.

1.3 Propuesta de tesis1.3.1 Descripcin del problemaLos paneles fotovoltaicos no tienen partes mviles y su mantenimiento es muy simple. La tasa de fallos de un mdulo fotovoltaico de cuarta generacin es del orden de 1.5 por 10,000 al ao [2]. La mayora de los fabricantes de celdas fotovoltaicas establecen tiempos de vida para sus productos de al menos 25 aos, dando como garanta que, despus de 25 aos de uso, la potencia de salida de la celda no ser inferior al 80% de la potencia obtenida al inicio de su vida til [3]. Todas estas ventajas hacen pensar que el mdulo fotovoltaico no es la limitante en el tiempo de vida en un sistema fotovoltaico.

Se ha observado que los sistemas fotovoltaicos tiene un tiempo promedio a la primera falla (MTFF) de cinco aos [4]. Estudios sistemticos de este tipo de sistemas, con capacidades entre 2 kW y 4 kW, sugieren que la causa de fallo est directamente relacionada con el inversor.

De los dos prrafos anteriores se concluye que la etapa de potencia es la limitante en el tiempo de vida de los sistemas fotovoltaicos. Por lo tanto, es evidente la necesidad de incrementar el tiempo de vida de los inversores, lo cual lgicamente llevar a aumentar la durabilidad y confiabilidad de los sistemas en cuestin. La meta en la industria de los inversores es disear productos para sistemas fotovoltaicos cuyo MTFF no sea inferior a 10 aos [5].

Si se investigan las configuraciones monofsicas de inversores que se han reportado para aplicaciones con interconexin a red, se ver que existe una gran variedad. Las caractersticas propias de cada configuracin, hacen que algunas sean ms propensas a fallas que otras, sin embargo; no se conoce la confiabilidad de las distintas topologas.

1.3.2 Planteamiento del problemaExiste la necesidad de incrementar el tiempo de vida y la confiabilidad de los inversores utilizados en sistemas fotovoltaicos con interconexin a red. Actualmente son varias las topologas reportadas para este fin, pero no existe una preferencia clara hacia alguna de ellas. El problema es que no se sabe qu confiabilidad tiene cada configuracin. No existen estudios, al menos publicados, en los que se determine la confiabilidad de configuraciones inversoras. Sin esta informacin resulta muy difcil seleccionar la mejor topologa para una aplicacin determinada.

4

ANTECEDENTES1.3.3 JustificacinLa mayora de las mejoras que se han hecho en confiabilidad de inversores estn basadas en informacin de campo. A saber, no existen estudios, al menos publicados, en los que se compare el desempeo de las configuraciones tomando como criterio principal la confiabilidad.

Se piensa que un estudio de la naturaleza del que se propone facilitar la seleccin de una topologa para una aplicacin dada. Adems, dar informacin importante para mejorar la confiabilidad de los inversores.

Se pretende que los resultados del tema de tesis que se est proponiendo sean aplicables, adems de a los sistemas fotovoltaicos, a otros sistemas basados en fuentes de energa no convencionales. Objetivo que garantiza, como lo avalan las tendencias de la industria, la vigencia e importancia, presente y futura, del tema de tesis que se propone.

1.3.4 Objetivo generalRealizar un estudio comparativo de algunas topologas inversoras monofsicas integradas empleadas en sistemas fotovoltaicos con conexin a la red de tensin alterna, tomando como criterio principal la confiabilidad.

1.3.5 Objetivos particularesObtener informacin que permita conocer y mejorar la confiabilidad de algunos inversores monofsicos integrados empleados en sistemas fotovoltaicos.

Obtener datos de confiabilidad que faciliten la seleccin de una topologa integrada para una aplicacin dada.

Obtener resultados que ayuden a mejorar la confiabilidad de los sistemas basados en fuentes de energa no convencionales.

Proponer una metodologa para calcular la confiabilidad de un circuito electrnico a partir de resultados de simulacin. Encontrar las ventajas y desventajas de la metodologa propuesta.

1.3.6 PropuestaRealizar un estudio comparativo de algunas configuraciones inversoras monofsicas integradas aplicadas en sistemas fotovoltaicos con posibilidad de conexin a la red de tensin alterna. La confiabilidad de los inversores ser considerada el criterio relevante en el estudio.

5

ANTECEDENTES1.3.7 AlcancesSe estudiarn y compararn algunas de las topologas inversoras monofsicas integradas aplicadas en sistemas fotovoltaicos, eligiendo aquellas que presentan el mayor nmero de ventajas. El anlisis de confiabilidad se har segn la metodologa MIL-HDBK-

217 FN2. Los resultados del anlisis sern predicciones basadas en mtodos probabilsticos. Los inversores seleccionados se disearn con base en una especificacin comn, y su funcionamiento se comprobar a travs de simulacin. No se har una implementacin fsica de los diseos.

1.3.8 AportacionesEl estudio propuesto aportar informacin sobre la confiabilidad de las configuraciones que se estudien. Las conclusiones y resultados del tema de tesis permitirn conocer cules son los elementos con mayor impacto en la confiabilidad de las topologas. Adems, darn criterios que facilitarn la seleccin de una configuracin para una aplicacin particular. Los datos obtenidos sern tiles para aumentar la confiabilidad y tiempo de vida de los inversores, en particular, en su aplicacin a sistemas fotovoltaicos. Se espera que las conclusiones sean aplicables a sistemas basados en fuentes de energa no convencionales. Otra aportacin relevante ser encontrar cules son las ventajas, las desventajas y la problemtica de la metodologa propuesta. Las conclusiones de la tesis contribuirn directamente con las siguientes metas:

1.Aumentar la confiabilidad de los sistemas fotovoltaicos.

2.Aumentar la confiabilidad de los inversores.

3.Disear un inversor universal con una MTFF no menor a 10 aos.

1.3.9 MetodologaLa siguiente es la metodologa propuesta para el desarrollo de la tesis:

1. Seleccin de los inversores a incluir en el estudio.

2. Determinacin de las condiciones de diseo.

3. Diseo de los inversores con base en las ecuaciones proporcionadas en los artculos.

4. Obtencin de los patrones de conmutacin a partir de las funciones de transferencia CD- CD.

5. Simulacin en PSIM de los inversores.

6. Empleando el programa computacional RELEX, calcular los parmetros de confiabilidad de los inversores diseados y simulados.

6

ANTECEDENTES7. Anlisis y comparacin de resultados.

8. Conclusiones.

Es importante resaltar la fuerte dependencia que tiene esta metodologa con respecto al xito en la simulacin de los convertidores. Sin datos de simulacin no ser posible calcular la confiabilidad de los circuitos electrnicos.

1.4 Estado del arteComo se ha mencionado no existen, al menos publicados, estudios con las caractersticas del que se propuso. La revisin del estado del arte as lo indica. Los objetivos principales de los siguientes prrafos son:

1. Sustentar la inexistencia de estudios tericos de confiabilidad en inversores monofsicos integrados aplicados en sistemas fotovoltaicos conectados a red.

2. Encontrar los temas de estudio de mayor inters sobre inversores monofsicos integrados diseados para sistemas fotovoltaicos.

3. Evidenciar, con base en las tendencias y necesidades de la industria, la importancia del tema de tesis propuesto.

1.4.1 Criterios de comparacinDespus de una bsqueda en la base de datos IEEExplore de publicaciones relacionadas con topologas inversoras monofsicas integradas empleadas en sistemas fotovoltaicos, se seleccionaron las referencias [4-22]. Del anlisis de estos artculos se obtuvo la informacin necesaria para conocer cules son los temas actuales de investigacin en el tema de topologas inversoras monofsicas integradas diseadas para sistemas fotovoltaicos. Se concluy que los temas actuales de investigacin son:

a. Costo.

b. Nmero de elementos utilizados en la topologa.

c. Uso o no de transformador.

d. Aislados o no aislados.

e. Nmero y tipo de etapas de conversin.

f. Esfuerzos sufridos por los dispositivos de conmutacin.

g. Intervalo de operacin de voltaje de entrada.

h. Tamao del capacitor de aislamiento.

i. Algoritmos utilizados para sintetizar la forma de onda sinusoidal.

j. Eficiencia.

k. Complejidad del diseo.

l. THD de la forma de onda inyectada a la red.7

ANTECEDENTESDe las referencias estudiadas, el conjunto formado por [10], [12], [13], [8], [14], [15] y [11] se considera el ms representativo en cuanto a inversores monofsicos integrados. En la siguiente tabla se indica cules de los temas actuales de investigacin son los ms estudiados. Las cruces indican que en la referencia se aborda determinado criterio como tema de investigacin. Los espacios en blanco indican lo contrario.

Tabla 1.1 Criterios de comparacinCriterio de comparacinestudiadoReferencia

[10][12][13][8][14][15][11]

aXXXXXX6

bXX2

cXXXXX5

dXXXXX5

eXXXXX5

fXXX3

gXXXXXX6

hXXX3

iXXX3

jXXXXXXX7

kXXXXXX6

lXXX3

De los temas actuales de investigacin en inversores monofsicos integrados aplicados a sistemas fotovoltaicos, los ms estudiados son (ver tabla 1.1):

a. Costo.

c. Uso o no de transformador.

d. Aislados o no aislados.

e. Nmero y tipo de etapas de conversin.

g. Intervalo de operacin de voltaje de entrada.

j. Eficiencia

k. Complejidad del diseo.

La confiabilidad no figura como tema abordado en los artculos. A saber, no existe un trabajo publicado en el cual se estudie explcitamente el tema de confiabilidad.

La informacin dada en los artculos [8], [10], [11], [12], [13], [14] y [15] lleva a las siguientes conclusiones:

Se busca que las configuraciones sean del menor precio posible.

No se tiene una preferencia clara hacia las configuraciones con o sin transformador. Es necesario que los inversores aslen elctricamente los mdulos fotovoltaicos de

la red elctrica, aunque no se tiene preferencia clara hacia un mtodo especfico.8

ANTECEDENTESNo existe una preferencia clara entre configuraciones de una etapa o varias etapas.

Se tienen varias opciones para aumentar el intervalo de voltaje de entrada, aumentar la eficiencia, disminuir las prdidas por conmutacin y mantener razonable la complejidad del diseo. Sin embargo, tampoco existe una preferencia clara hacia alguna configuracin.

Finalmente, de la revisin del estado del arte se concluy que:

Existen objetivos claros a alcanzar en la industria de los inversores monofsicos integrados.

Se han propuesto varias topologas para alcanzar las metas, pero no existe una tendencia clara hacia una topologa o grupo de topologas.

En funcin de sus caractersticas no se tiene clara la aplicacin idnea para una o un conjunto de topologas de inversores.

La confiabilidad no figura como tema de estudio en artculos referentes a inversores monofsicos integrados diseados para sistemas fotovoltaicos.

Aumentar la confiabilidad es una de las dos metas principales de la industria de los inversores, resulta lgica la necesidad de realizar un estudio de confiabilidad aplicado a al menos algunas topologas inversoras (topologas inversoras monofsicas integradas).

Las conclusiones surgidas del estudio del estado del arte reafirman la relevancia e importancia de desarrollar un estudio con las caractersticas del que se propuso.

9

Captulo 2

SELECCIN DE TOPOLOGASPara seleccionar las topologas a incluir en el estudio, se realiz una bsqueda y revisin bibliogrfica relacionada con las topologas inversoras propuestas para sistemas fotovoltaicos monofsicos. El objetivo de este captulo es presentar en resumen el conjunto de informacin analizada, y las conclusiones a las que se llegaron.

2.1 Evolucin de los inversores para sistemas fotovoltaicosLa evolucin de los inversores para sistemas fotovoltaicos est ligada al desarrollo de la tecnologa en celdas, paneles, y mdulos. En un sistema fotovoltaico la fuente de CD esta formada por arreglos de paneles. El tipo de arreglo determinala magnitud de la tensin generada, y en buena medida el tipo de control a utilizar para obtener la potencia mxima del mdulo fotovoltaico. Por lo tanto, es evidente que la topologa inversora en un sistema fotovoltaico depender del tipo de arreglo de paneles. A continuacin se aborda el tema de la evolucin de los inversores y su relacin con los paneles y mdulos solares.

2.1.1 Inversores centralesEn la dcada de los 80s y hasta mediado de los 90s la mayora de los inversores disponibles en el mercado eran inversores centrales auto-conmutados o conmutados a partir de la tensin de lnea. Esta clase de inversores tienen como fuente de CD arreglos en los que los paneles solares estn conectados en serie, formando cadenas, ylas cadenas conectadas en paralelo formando as el mdulo fotovoltaico (figura 2.1).

Inversor centralCadena1-5 kWFigura 2.1 Sistema fotovoltaico central10

SELECCIN DE TOPOPLOGAS

Los inversores centrales diseados para sistemas fotovoltaicos se pueden clasificar como se indica en el siguiente diagrama:

Con transformador

Inversores centrales auto conmutados

Sin transformador

Inversores centrales

Con transformador

Inversores centrales conmutados a partir de la tensin de lnea

Sin transformador

La mayora de los sistemas fotovoltaicos con esta tecnologa que permanecen en el mercado incluyen inversores auto-conmutados con y sin transformador. Cuando la topologa incluye transformador, ste opera a la frecuencia de la lnea. En las figuras 2.2 y

2.3 se muestran topologas tpicas de inversores centrales sin y con transformador.Arreglo de paneles solares

FiltroFigura 2.2 Sistema fotovoltaico con inversor auto conmutado sin transformadorArreglo de paneles solares

FiltroFigura 2.3 Sistema fotovoltaico con inversor auto-conmutado con transformador11


Como se ve en las figuras 2.2 y 2.3, los inversores centrales son del tipo puente completo. Para controlar el disparo de los interruptores del puente se emplea la modulacin por ancho de pulso (PWM). La frecuencia de conmutacin de los dispositivos semiconductores vara en el intervalo de 16 a 20 kHz. Empleando el mtodo PWM se invierte la corriente de CD proporcionada por las celdas y se le da una forma de onda sinusoidal con la calidad necesaria para inyectarse a la red. Dependiendo de la magnitud de la tensin generada por el arreglo de paneles solares, el puente completo desarrolla una funcin de transferencia especfica.

Se considera que los sistemas fotovoltaicos basados en inversores centrales son una tecnologa barata, con un buen grado de madurez, robustos, eficientes, de alta confiabilidad, y con los cuales se logra un precio bajo por Watt generado. Otra ventaja de estos sistemas es que con el arreglo de paneles solares se puede generar la tensin necesaria para prescindir del uso del transformador.

Las desventajas de los sistemas fotovoltaicos centrales se hicieron evidentes a partir de estudios publicados en los primeros aos de los 90s; las siguientes son las principales:

Se requiere de cableado de alta tensin, lo cual incrementa el costo y disminuye la seguridad. Al manejar alta tensin existe la posibilidad de que se presente un arco elctrico entre los conductores del cableado de CD.

No existe una operacin independiente de secciones dentro del arreglo de paneles. Lo anterior impide lograr el punto mximo de potencia en cada una de las secciones que forman el arreglo.

En cuanto a la conexin de paneles en serie. Si la radiacin solar en alguno de los paneles de una cadena disminuye, entonces este operar como una carga, con la consecuente disminucin en la potencia generada por la cadena. Adems, el sombreado parcial o total de un panel colocado en una cadena ocasiona un incremento en su temperatura. Esto es una desventaja importante, ya que un sobrecalentamiento del panel ocasiona rpidamente una disminucin en su tiempo de vida.

En cuanto a la conexin de cadenas en paralelo, si el voltaje generado por alguna de las cadenas disminuye, necesariamente el voltaje de entrada al inversor disminuir.

Poca flexibilidad. Debido a la magnitud de la potencia (1-5 kW) no es factible realizar modificaciones en el sistema; adems, se requiere de un diseo diferente para cada instalacin.

No existe la posibilidad de produccin en masa; por esta razn en trminos de comercializacin masiva el costo de manufactura puede ser elevado comparado con otras opciones.

12


Las caractersticas de las desventajas mencionadas nos llevan a concluir que su origen se encuentra en la topologa del arreglo de paneles empleado. En el siguiente punto se presenta el siguiente eslabn en la cadena de la evolucin de los sistemas fotovoltaicos.

2.1.2 Inversores para cadenaLos sistemas fotovoltaicos centrales representan el pasado en la evolucin de los sistemas fotovoltaicos. El presente son los sistemas fotovoltaicos de cadena (figura 2.4) .

Inversor de cadenaCadena0.5 - 1 kWFigura 2.4 Sistema fotovoltaico de cadena

Los inversores empleados en sistemas fotovoltaicos de cadena tienen como fuente de CD un arreglo en serie de paneles solares. La tensin generada por el arreglo puede ser suficiente para evitar incluir un transformador en la topologa inversora; sin embargo, en la mayora de los casos se emplea un transformador de alta frecuencia (ver figura 2.5).

Transformador de alta frecuencia

Puento conmutado a alta frecuenciaCadena

FiltroInversor conmutado a frecuecia de lineaFigura 2.5 Sistema fotovoltaico de cadena con transformador de alta frecuencia13


Tambin existen topologas diseadas con transformadores de frecuencia de lnea, y sin transformador. En este ltimo caso es comn que la topologa incluya un convertidor CD/CD, el cual se emplea como medio para ajustar el voltaje proporcionado por las celdas.

Emplear topologas con transformador de frecuencia de lnea tiene algunas ventajas. Una de las ms importantes es que permite emplear dispositivos semiconductores de bajo voltaje en la implementacin del puente. Los dispositivos MOSFET de bajo voltaje son idneos para esta aplicacin. Los MOSFET de bajo voltaje son ampliamente usados en aplicaciones automotrices, lo que permite su produccin en masa y los hace dispositivos de bajo costo. En cuanto al control, este tipo de topologas permite que se realice en el lado de baja potencia, lo cual simplifica su implementacin.

La principal ventaja de incluir un transformador es disminuir la magnitud de la tensin de CD demandada al mdulo fotovoltaico, y con ello el nmero de paneles conectados en serie. La magnitud de la tensin en topologas con transformador est generalmente en el intervalo de 30 a 150 V. Al disminuir el nmero de paneles disminuye el costo del sistema, y al disminuir la tensin de CD se simplifica el cableado y aumenta la seguridad. Las desventajas de incluir un transformador son el peso, el volumen y el costo que aade al inversor.

No obstante, algunos fabricantes optan por topologas con transformadores de alta frecuencia, las que permiten disminuir el tamao de los componentes magnticos y el costo del inversor. La mayora de este tipo de topologas estn formadas por ms de una etapa de conversin. A medida que aumenta el nmero de etapas de conversin, la eficiencia del inversor disminuye y crece la complejidad del control.

Las principales ventajas de los sistemas fotovoltaicos para cadena son:

Cada cadena se puede controlar de forma tal que opere en el punto de potencia mxima.

Flexibilidad y posibilidad de incrementar el tamao del sistema conectando las salidas de varios sistemas a un mismo punto.

Minimiza el cableado de CD.

Permite el concepto de insercin en lnea. No se requiere de un personal calificado para realizar la insercin de los sistemas.

Existe la posibilidad de produccin en masa. Eficientes.

14


Las principales desventajas de los sistemas fotovoltaicos centrales son: Alto costo por Watt generado.

En caso de fallo resulta costoso el reemplazo del inversor.

Dependiendo de las normas de seguridad, el costo del sistema se puede incrementar. No se elimina el problema del aumento de temperatura en los paneles en los cuales

disminuye la radiacin solar.

Los sistemas fotovoltaicos de cadena son la versin reducida de los sistemas centrales. Se introdujeron en el mercado a mediados de los 90s, justo cuando las desventajas de sus predecesores quedaron en evidencia.

La cantidad de topologas propuestas para sistemas fotovoltaicos de cadena aumenta con respecto a las propuestas para sistemas centrales. Al modificarse el arreglo de paneles solares, disminuye la tensin de salida obtenida y cobra importancia el diseo del inversor. La investigacin fuerte en torno a sistemas fotovoltaicos de cadena empez a mediados de los 90`s. Los avances en el campo de los semiconductores y de los filtros han permitido lograr eficiencias para los inversores de cadena en el intervalo del 94 al 97%.

Actualmente la industria de los inversores est interesada en seguir mejorando la eficiencia y en disminuir el costo de los sistemas de cadena. Esto a travs de dos conceptos: sistemas fotovoltaicos multicadena (figura 2.6) y sistemas fotovoltaicos trabajando en equipo (figura 2.7).

+-Inversor CentralCadenaICadenaIICadenaIII

1-5 kWFigura 2.6 Sistema fotovoltaico multicadena15


CadenaI

CadenaII

CadenaIII

CadenaIVCD

CD

CD ACAC

AC

CDInversor deACcadenaAC Conexin para trabajo en equipoFigura 2.7 Sistema fotovoltaico conectado para trabajo en equipo (amo-esclavo)

Se ha visto que el precio por Watt producido por los sistemas fotovoltaicos de cadena es elevado. Se espera que las opciones mostradas en las figura 2.6 y 2.7 permitan producir energa elctrica a un menor precio. En la topologa de la figura 2.6 se emplea el concepto de sistemas en cadena en conjunto con el concepto de sistema central. En la topologa de la figura 2.7 se emplea el concepto sistema en cadena en conjunto con el de trabajo en equipo (operacin amo-esclavo).

Se piensa que las tendencias anteriores son el futuro de los sistemas fotovoltaicos de alta potencia. En baja potencia existe otra tendencia, considerada como el futuro de los sistemas fotovoltaicos en baja potencia. Se trata de los mdulos de CA.

2.1.3 Inversores para mdulos de CAUn mdulo de CA est formado por un panel y un inversor (figura 2.8). A su vez, un panel tpico est formado por 36 o 72 celdas solares, con una tensin de salida en circuito abierto de 18 V a 26 V, y de 38 V a 46 V respectivamente.

Mdulo de AC(0.1 - 0.5 kW)DCDCDCACACACFigura 2.8 Mdulos de CA conectados en paralelo16


El concepto de mdulo de CA reduce costos de manufactura como resultado de favorecer la produccin en masa, y es una versin simplificada de los sistemas fotovoltaicos de cadena.

La principal ventaja de este enfoque es que de cada mdulo se puede obtener la mxima potencia posible. Los mdulo de CA tpicos se disean para obtener una potencia de salida en el intervalo de 0.1 a 0.5 kW. Para lograr potencias mayores se conectan varios mdulos de CA en paralelo.

Los mdulos de CA presentan las ventajas de los sistemas de cadena, y adems eliminan el problema de sobrecalentamiento en los paneles debido a la disminucin en la magnitud de la radiacin solar. Sin embargo, incluyen el resto de las desventajas:

Alto costo por Watt generado.

En caso de fallo resulta costoso el reemplazo del inversor.

Dependiendo de las normas de seguridad, el costo del sistema se puede incrementar.

Las desventajas anteriores indican claramente lo que se debe hacer para continuar con el desarrollo de los sistemas fotovoltaicos: disminuir su costo y aumentar su confiabilidad. De ello depende su xito comercial. Las tendencias indican que el futuro de los sistemas fotovoltaicos en alta y baja potencia son los esquemas mostrados en la figuras

2.7 y 2.8 respectivamente. Son evidentes las similitudes entre los esquemas. Por lo tanto,

las conclusiones surgidas de estudios realizados en cualquiera de ellos contribuirn al avance de ambos.

En trminos de anlisis de confiabilidad en inversores, el esquema de baja potencia presenta un gradiente adecuado para iniciar un estudio de este tipo. Al finalizar el estudio de la evolucin de los inversores queda clara la estrecha relacin entre el arreglo fotovoltaico y las caractersticas del inversor a emplear. Se ha justificado porqu el objeto de estudio adecuado al tema de tesis son los mdulos de CA. El siguiente paso es investigar las topologas inversoras que se han propuestos para mdulos de CA.

2.2 Configuraciones para mdulos de CALa tensin de CD dada por los paneles de un mdulo de CA est en el intervalo de

18V a 46 V. Para poder inyectar corriente a la red a partir de esta tensin es necesario

elevarla. Una de las funciones del circuito de potencia es esa. Se ha propuesto un buen nmero de topologas inversoras para mdulos de CA. En los siguientes prrafos de este apartado se presenta la informacin que permiti seleccionar las configuraciones a incluir en el estudio.

17


2.2.1 Funciones bsicas del circuito de potenciaPara que, a partir de una tensin de CD, un circuito de potencia pueda inyectar una corriente de CA a la red, debe de cumplir con las siguientes funciones bsicas:

1. A partir de un voltaje de entrada de CD, que puede ser variable, proporcionar una corriente alterna de salida. La corriente alterna deber de seguir lo ms posible la forma de onda de voltaje y frecuencia de la red elctrica.

2. Dar una tensin de salida de calidad, con caractersticas tales que tenga una THD

baja.

3. Proteger los mdulos y sistemas electrnicos del sistema fotovoltaico contra condiciones anormales de operacin en la red elctrica. Proteger la red elctrica contra condiciones anormales de operacin del sistema fotovoltaico.

4. Contribuir a operar confiablemente las celdas en el punto de mxima potencia o de mxima eficiencia.

Las acciones bsicas que debe de desarrollar un inversor para cumplir con las funciones mencionadas son:

1. Elevar la tensin de CD proporcionada por los paneles solares.

2. Modular la tensin de CD para obtener una forma de onda sinusoidal de CA.

3. Contar con mecanismos de protejan al sistema fotovoltaico, a la red y al usuario.

La esencia de las funciones y acciones con las que debe de cumplir un inversor es transformar la energa dada por la fuente de CD, de forma tal que pueda ser inyectada a la red. La transformacin se puede desarrollar en una o en varias etapas.

2.2.2 Configuraciones monoetapaEn una configuracin monoetapa se eleva la tensin de CD, y se modula para lograr la onda sinusoidal de CA. Basados en el nmero de dispositivos de conmutacin, las configuraciones monoetapa pueden clasificarse como sigue:

1) Configuraciones con cuatro dispositivos de conmutacin.

2) Configuraciones con seis dispositivos de conmutacin.

Una de las ventajas de la configuracin con seis dispositivos de conmutacin sobre la de cuatro es que facilita la puesta a tierra del sistema fotovoltaico y de la red elctrica (doble puesta a tierra).

18


Ventajas de una configuracin monoetapa-Topologa simple.

-Pocos componentes.

-Robusta.

-Alta confiabilidad.

-Eficientes.

-Bajo costo.

Desventajas de una configuracin monoetapa-La mayora emplean transformadores de lnea.

-Voluminosas y pesadas.

-Capacidad de potencia de salida limitada. Incrementar la capacidad de potencia tiene como consecuencia someter a los dispositivos de conmutacin a picos de corriente de magnitud elevada. La capacidad de estos sistemas est limitada debido a consideraciones de costo y tamao.

-Comprometen la calidad de la energa subministrada.

-Intervalo de operacin de voltaje de entrada limitado.

La tendencia en las configuraciones monofsicas es a no emplear transformador y, de ser necesario, utilizar transformadores de alta frecuencia. La mayora de las configuraciones monoetapa se basan en los principios de operacin de los convertidores CD/CD boost o buck-boost. Este tipo de circuitos usan inductores o al transformador flyback para almacenar energa y brindar aislamiento elctrico.

La principales desventajas de las topologas monoetapa desparecen cuando se les aplica en baja potencia o se sustituye el transformador de lnea por uno de alta frecuencia. Las ventajas que presentan este tipo de topologas indican que son la mejor opcin para los mdulos fotovoltaicos de CA. Por lo tanto, sern configuraciones monofsicas las que se incluirn en el estudio.

Despus de comparar las diferentes topologas monoetapa propuestas para inversores monofsicos conectados a red, se seleccionaron algunas para incluir en el anlisis de confiabilidad.

2.3Topologas seleccionadasExisten distintas topologas que cumplen con las caractersticas buscadas. Para seleccionarlas se revisaron topologas propuestas por distintos investigadores. Como es de esperarse, cada autor destaca las caractersticas de su topologa y la menciona como la mejor opcin. Para la seleccin, el criterio que se tom fue la claridad del procedimiento de diseo dado en la referencia correspondiente.

19


Despus de estudiar, comparar, y analizar la claridad de los procedimientos de diseo de diferentes topologas monofsicas integradas, propuestas para sistemas fotovoltaicos conectados a red, se seleccionaron las mostradas en las figuras 2.9-2.12.

M2TM2

DM2

Carga

M3TM3

DM3C1V1

L1 L2 C2 V2M1STM1 DM1

M4TM4

DM4Figura 2.9 Inversor elevador de cuatro interruptores por Cceres y Barbi [17]M2 M3TM2 DM2 Vs

TM3

DM3L1 L2M1TM1 DM1

C1 V1 V2Vo

C2TM4

M1DM4CargaFigura 2.10 Inversor reductor-elevador de cuatro interruptores de conmutacin por

Vzquez et al.[18]T1T2

D1C1L1CC2L2D2

T3T4Figura 2.11 Inversor reductor-elevador de cuatro dispositivos de conmutacin por Kasa et al. [19]

20


Ssynchronous

Dfb1

Sflyback11:n:n

LfSAC1CfCin CsS buck-boost

SAC2Sflyback2Figura 2.12 Inversor flyback por Kjaer y Blaabjerg [20]

Un aspecto importante para el desarrollo de la tesis es la seleccin correcta de las topologas. El estudio realizado permiti seleccionar las que se crey eran las ms adecuadas. Las cuestiones surgidas en torno a su diseo y simulacin se comentan en los apartados pertinentes.

21

Captulo 3

DISEO Y SIMULACIN DE INVERSORESUna vez seleccionadas las topologas a incluir en el estudio, el siguiente paso fue encontrar las especificaciones de diseo. Dadas las especificaciones, se disearon y simularon las topologas. En el presente captulo se abordan ambos temas.

3.1 Especificaciones de diseoEl conjunto de especificaciones de diseo para cada convertidor est formado por los siguientes parmetros:

Tensin de entrada. La magnitud de la tensin de entrada est dada por el arreglo de paneles solares. La tensin tpica proporcionada por un arreglo de paneles solares diseado para alimentar un inversor integrado es de 48 V. Por lo tanto, se eligi 48V como tensin de entrada.Tensin eficaz de salida. El valor de este parmetro est en funcin de las caractersticas de la lnea a la cual se quiere conectar el sistema fotovoltaico. Por las caractersticas de la red en Mxico el valor de la tensin eficaz de salida es de 120Vrms.Potencia eficaz de salida. Los sistemas fotovoltaicos con inversores monofsicos integrados se consideran de baja potencia. La potencia generada por este tipo de sistemas esta en el intervalo de unos cuantos hasta 500 W. Por las implicaciones obvias se escogi 500 W como la potencia nominal deseada.Frecuencia de conmutacin. Donde la informacin dada en la referencialo permiti, se simul y dise cada convertidor a tres frecuencias: 10 kHz, 20 kHz, 50 kHz. En caso contrario se simul segn las condiciones de diseo indicadas en el artculo fuente.

22

DISEO Y SIMULACIN DE INVERSORES3.2 Diseo del convertidor elevador [17]En la figura 3.1 se muestra el convertidor propuesto por Cceres y Barbi [17]. En el siguiente apartado se explica la forma de operacin del convertidor en la variante de inversor.

M2TM2

DM2

Carga

M3TM3

DM3V1C1

L1 L2 C2 V2M1inTM1 DM1

M4TM4

DM4Convertidor A Convertidor BFigura 3.1 Inversor elevador [17]

3.2.1 Forma de operacinEl inversor elevador est formado por dos convertidores elevadores bidireccionales CD/CD, a los cuales identificaremos como convertidor A y convertidor B. Ambos operan en modo de conduccin continuo, y conmutan de manera independiente. Las seales de conmutacin deben de ser tales que la tensin de salida de cada convertidor sea una sinusoide a 60 Hz montada sobre una componente de tensin continua VCD. La sinusoide dada por el convertidor B debe de estar defasada 180 con respecto a la generada por el convertidor A.

Para generar el semiciclo positivo operan TM1 y DM2 del convertidor A, del convertidor B operan TM3 y DM4. Para generar el semiciclo negativo operan TM2 y DM1 del convertidor A, del convertidor B operan TM4 y DM3.

Para obtener una tensin sinusoidal en la carga con un valor pico

Vop , la tensinsinusoidal producida por cada rama del inversor debe tener un valor pico igual a Vop / 2 .

3.2.2 Ecuaciones de diseoLas ecuaciones de diseo para dimensionar L1=L2=L y C1=C2=C son:LDmaxVinfs (0.22I LP )

(3.1)

23

DISEO Y SIMULACIN DE INVERSORESCDmax 2Pofs (0.02Vap )Vop

(3.2)

En el apndice A se detalla el procedimiento de diseo y se aclara lo referente a la nomenclatura de las ecuaciones anteriores.

La magnitud de los inductores y capacitores da informacin suficiente para, una vez obtenidos los tiempos de conmutacin, realizar la simulacin.

3.2.3 Clculo de L y CLas ecuaciones (3.1) y (3.2) hacen posible calcular los valores de L y C para diferentes condiciones de diseo. Para los fines de este trabajo, el parmetro de diseo a variar es la frecuencia de conmutacin ( fs ). En la tabla 3.1 se muestra el valor de L y C para los valores de inters.

Tabla 3.1 Valores de L y C para el inversor elevador [17]fs10 kHz20 kHz50 kHz

L636.37 H318.19 H127.27 H

C105.5 F52.74 F21.09 H

3.3 Diseo del convertidor reductor-elevador [18]En la figura 3.2 se muestra el convertidor propuesto por Vzquez et al [18]. En el siguiente apartado se explica su forma de operacin en la variante de inversor.

3.3.1 Forma de operacinLa topologa est formada por dos convertidores CD/CD reductores-elevadores bidireccionales conectados a la carga en modo diferencial. Su forma de operacin es similar al circuito de la figura 3.1.

DM2

TM2 M2L

Vin

DM3L

TM3M3TM1

DM1 M1 C

C TM4DM4M44 1 Carga 2 3Figura 3.2 Inversor reductor-elevador de cuatro interruptores por Vzquez et al.[18]24

DISEO Y SIMULACIN DE INVERSORESEn este caso los primeros convertidores unidireccionales en entrar en operacin son el 1 y el 2, los cuales generan el semiciclo positivo de la forma de onda sinusoidal de salida; los convertidores 3 y 4 generan el semiciclo negativo. Ambos operan en modo de conduccin continuo.

3.3.2 Ecuaciones de diseoEn este caso las ecuaciones de diseo son:LDmaxVinf s (0.22I LP )CDmax 2Pofs (0.02Vap )Vop

(3.3)

(3.4)

En el apndice B se detalla el procedimiento para obtener (3.3) y (3.4), y se aclara lo referente a su nomenclatura.

3.3.3 Clculo de L y CLas ecuaciones (3.3) y (3.4) hacen posible calcular el valor de L y C para diferentes condiciones de diseo. En la siguiente tabla se muestra el valor de L y C para distintos

valores de

fs .

Tabla 3.2 Valores de L y C para el inversor reductor-elevador [18]fs10 kHz20 kHz50 kHz

L636.37 H318.19 H127.27 H

C135.33 F67.66 F27.07 F

3.4 Diseo del convertidor reductor-elevador [19]La figura 2.11 muestra el convertidor propuesto por Kasa et al en [19]. Este inversor esta formado por dos convertidores CD/CD tipo reductor-elevador conectados en antiparalelo a la carga. Ambos operan en modo de conduccin discontinuo. Uno de ellos (convertidor 1) est formado por T1, C1,L1, T2, D1. El otro (convertidor 2) est compuesto por T3, C2, L2, T4, D2.

3.4.1 Forma de operacinLa operacin del convertidor se divide en cuatro etapas. La primera y segunda genera el semiciclo positivo de la forma de onda sinusoidal. La tercera y cuarta el semiciclo negativo. En la primera el semiconductor T1 del convertidor 1 est encendido, mientras

25

DISEO Y SIMULACIN DE INVERSORESque T2, T3 y T4, apagados. En la segunda el semiconductor T2 del convertidor 1 esta encendido y el resto de los dispositivos de conmutacin apagados. En la tercerael semiconductor T3 del convertidor 2 est encendido, T1, T2 y T4 apagados. En la cuarta T4 del convertidor 1 est encendido, el resto de los semiconductores apagados.

3.4.2 Ecuaciones de diseoLas ecuaciones de diseo presentadas en la referencia [19] son:V V 2L CA CD

222

(3.5)4NfICA (VCD2VIsen2

2VCA ) (2senp

sen

p 1 )CAC ACp

(3.6)Nf (2VAC

V 2 )

El anlisis presentado en [19] no indica el significado del trmino

sen2

p , por lotanto no fue posible emplear (3.5) y (3.6) para obtener L y C a distintas frecuencias. En este caso se opt por simular con los valores de L y C reportados en [19].

3.4.3 Clculo de L y CLas ecuaciones (3.5) y (3.6) no permiten escalar el procedimiento de diseo a distintas frecuencias. En este caso los valores de L y C empleados para simular son los reportados en [19]:

Tabla 3.3 Valores de L y C y parmetros de diseo para el inversor elevador [19]L1L2CVCAVCDFNPoutFc

26 Mh26 mH12 Uf100 V48 V60 Hz80500 W9.6 kHz

3.5 Diseo del convertidor elevador [21]Para verificar el procedimiento de diseo se simul el convertidor propuesto segn la informacin dada en [21], el resultado no fue exitoso. Dado lo anterior, este convertidor se dej fuera del estudio. La metodologa propuesta se sigui hasta el punto 4. Las pruebas realizadas indican muy posible el hecho de que el simulador llegue a problemas de convergencia. En la informacin presentada en [21] se encontr ausencia de informacin, lo cual hace poco claros algunos puntos del artculo. Esto ltimo contribuy a no encontrar solucin al problema de simulacin.

3.6 SimulacinPara simular se construyeron tablas de disparo para los interruptores de los distintos convertidores. Cada tabla de disparo est formada por el patrn de conmutacin adecuado

26

DISEO Y SIMULACIN DE INVERSORESpara lograr la forma de onda de salida deseada. Los valores de las tablas se obtuvieron de las funciones de transferencia CD/CD de los convertidores unidireccionales CD/CD que integran los distintos inversores.

Para simular se emple el programa PSIM, el cual incluye una herramienta que permite incluir tablas de disparo.

En la simulacin de los inversores reportados en [17] y [18] se conmut slo uno de los convertidores bidireccionales, el restante se sustituy por una fuente sinusoidal montada sobre una componente de CD.

El inversor reportado en [19] se simul considerando a T2 y T4 en estado permanente de encendido. Al considerar PSIM dispositivos ideales, no permite simular dispositivos en serie.

3.6.1 Simulacin del inversor elevador [17]En la parte superior de la siguiente figura se muestrael convertidor elevador CD/CD, al final de la figura se muestra el convertidor elevador bidireccional CD/CD. Las dos topologas que aparecen a la mitad son convertidores elevadoresunidireccionales CD/CD.

LVin

CRVoeDM2

TM2VAC1

L1TM1

VBC1

L1DM1Vin VinTM2

DM2L1V1C1TM1

DM1

VinConvertidor AFigura 3.3 Convertidor elevador bidireccional CD/CD

Para simular el inversor elevador es necesario obtener las funciones de transferencia de los convertidores unidireccionales CD/CD que lo integran (ver figura 3.3). En particular

27

DISEO Y SIMULACIN DE INVERSORESinteresa la funcin de transferencia salida-entrada de tensin dada en funcin del ciclo de trabajo.

Suponiendounamximatransferenciadeenerga,interruptoresideales, considerando una frecuencia de conmutacin alta (en ordenes de magnitud mayor a la frecuencia de red), y que el sistema est en estado estacionario,la funciones de transferencia buscadas son:

VA1

Vin1 D

( 3.7 )

VB1

VinD

( 3.8 )

Considerando las formas de onda que deseamos obtener a la salida de cada convertidor, y despejando el ciclo de trabajo de (3.7) y (3.8), tenemos respectivamente:

DA (t)1

VCD

VinVop sen(wt)2

(3.9)

DB (t)

VCD

VinVop sen(wt)2

(3.10)

Evaluando las ecuaciones (3.9) y (3.10) en los instantes de conmutacin se obtiene el valor del ciclo de trabajo. A partir del valor del ciclo de trabajo se pueden obtener los tiempos de encendido y apagado para los interruptores.

Para encontrar el valor del ciclo de trabajo se evalan las ecuaciones (3.9) y (3.10). Para obtener el ciclo de trabajo que genera el semiciclo positivo se evala la ecuacin (3.9), para el obtener el ciclo de trabajo que genera el semiciclo negativo se evala la ecuacin

(3.10). La ecuacin (3.9) se evala desde t

0 , incrementando t en 1/ fs , hasta

tT / 2 ,donde T es el periodo de la seal sinusoidal que se desea inyectar a la red. La ecuacin

(3.10) se evala desde tT / 2 , incrementando t en 1/ fs , hasta tT .

De la evaluacin anterior se obtiene el vector de ciclos de trabajo necesario para construir la forma de onda sinusoidal. Para obtener el vector con los tiempos de encendido

se divide el vector deciclos de trabajo entre

fs . Conocido el vector de tiempos deencendido se puede obtener el vector de tiempos de apagado, la ecuacin (3.11) da la relacin necesaria.

28

DISEO Y SIMULACIN DE INVERSORESt( 1 )t

(3.11)o f fo nsFinalmente, se convierten los vectores de tiempo de encendido y apagado a grados, y se manipulan para obtener la tabla de disparo buscada. Los elementos impares de la tabla indican el encendido de una conmutacin, mientras que los pares el apagado.

Una vez obtenidas las tablas de disparo se puede simular el inversor completo, sin olvidar que el convertidor B (ver figura 3.1) y los convertidores 2 y 3 (ver figura 3.2) se substituyen por una fuente ideal generadora de una sinusoide montad sobre una componente de CD.

El procedimiento para obtener las tablas de disparo se realiz en el programa Mat- Lab. El cdigo y sus comentarios se muestran en el apndice C.

3.6.2 Simulacin del inversor reductor-elevador [18]Para simular este inversor se siguen los mismos pasos que para el anterior. En la figura 3.4 se muestra la estructura del convertidor reductor-elevador bidireccional.

Vin

LVorTM2LDM1

VinCVC

DM2

LTM1

VinCVDDM2

TM2

Vin

LTM1

DM1CV2Figura 3.4 Convertidor reductor-elevador bidireccional CD/CD29

DISEO Y SIMULACIN DE INVERSORESLas funciones de transferencia para los convertidores unidireccionales son:VCD

( 3.12 )Vin1 DVD1DVinD

( 3.13 )

Despejando el ciclo de trabajo de (3.12) y (3.13), y substituyendo VC y VD por las formas de onda deseadas, tenemos

DC (t)

11 Vin

( 3.14 )

VCD

Vop sen(wt )2DD (t)

VCD

1

Vop sen(wt)

( 3.15 )

1 2

VinLas ecuaciones (3.14) y (3.15) son la base para obtener las tablas de disparo. El programa descrito en el apndice C explica a detalle cmo obtenerlas a partir de (3.14) y (3.15).

3.6.3 Simulacin del inversor reductor-elevador [19]La metodologa seguida para simular esta topologa es la indicada para la simulacin de los dos convertidores anteriores (apndice C).

El inversor propuesto en [19] est formado por dos convertidores CD/CD tipo reductor-elevador conectados en antiparalelo a la carga (ver figura 3.5). Ambos convertidores operan en modo de conduccin discontinuo.

30

DISEO Y SIMULACIN DE INVERSOREST1 T2D1Vin L1 CVET1Vin

T2D1RL1 CVin

L2 D2T3 T4Vin

CL2 D2 VFT3 T4Figura 3.5 Convertidores tipo reductor-elevador e inversor

En este caso la funcin de transferencia para los dos convertidores es la misma. Como se observa en la figura 3.5, lo que cambia de un convertidor a otro es la ubicacin de los dispositivos semiconductores. El efecto que tiene tal variacin es en el sentido de la corriente que se permite fluir a la carga. En un caso la corriente genera una tensin positiva, en el otro negativa.

La funcin de transferencia para el convertidor CD/CD reductor-elevador operando en modo de conduccin discontinuo es [23]:

VED Vin kdonde

(3.16 )

k2 L1f sR

( 3.17 )

Despejando de la ecuacin (16) tenemos:

Dk VE Vin

( 3.18 )

Finalmente, sustituyendo VEVp sen(wt ) , llegamos a:DE (t)

k Vp sen(wt)Vin

( 3.19 )

31

DISEO Y SIMULACIN DE INVERSORESA partir de la ecuacin 3.19 podemos obtener las tablas de disparo de los interruptores T1 y T3 del inversor reductor-elevador [19].

3.7 Formas de ondaEn las figuras 3.6-3.12se muestran las formas de onda de salida en tensin y corriente para los convertidores simulados. Debido a la distorsin de las formas de onda de las figuras 3.6 y 3.9 se decidi dejar fuera del estudio a los convertidores [17] y [18] operando a 10 kHz.

3.7.1 Formas de onda para el convertidor elevador [17]200

FORMA DE ONDA DE LA TE NS ION DE SA LIDA V s SENOIDA L PURA

CORRIENTE DE SALIDA

8

150 6

100 450 20 0-50 -2-100 -4-150 -6-200

0 0.002 0.004 0.006 0.008 0.01 0.012 0.014 0.016 0.018

-800.002 0.004 0. 006 0.008 0. 01 0.012 0.014 0.016 0.018

Figura 3.6 Tensin y corriente a 10 kHz [17]FORMA DE ONDA DE LA TENSION DE SALIDA Vs SEAL SENOIDAL PURA

2008

CORRIENTE DE SALIDA1506100450200-50-2-100-4-150-6-200

00.002 0.004 0.006 0.008 0.01 0.012 0.014 0.016 0.018

-80 0.002 0.004 0.006 0.008 0.01 0.012 0.014 0.016 0.018

Figura 3.7 Tensin y corriente a 20 kHz [17]32

DISEO Y SIMULACIN DE INVERSORESFORMA DE ONDA DE LA TENSIONDE SALIDA Vs SEAL SENOIDALPURA200 8

CORRIENTE DE SALIDA150 6100450200-50-2-100-150 -4-2000 0.002 0.004 0.006 0.008 0.01 0.012 0.014 0.016 0.018

-60 0.002 0.004 0.006 0.008 0.01 0.012 0.014 0.016 0.018Figura 3.8. Tensin y corriente a 50 kHz [17]


FORMA DE ONDA DE LA TENSIONDE SALIDA Vs SENOIDAL PURA

CORRIENTE DE SALIDA8150 6100450200-50-2-100-4-150-200 -6-2500 0.002 0.004 0.006 0.008 0.01 0.012 0.014 0.016 0.018

-80 0.002 0.004 0.006 0.008 0.01 0.012 0.014 0.016 0.018


DISEO Y SIMULACIN DE INVERSORES200

FORMA DE ONDA DE LA TENSION DE SALIDA Vs SENOIDAL PURA

CORRIENTE DE SALIDA

8

1506

1004

502

00

-50-2

-100-4

-150-6

-200

00.002 0.004 0.006 0.008 0.01 0.012 0.014 0.016 0.018

-800.002 0.004 0.006 0.008 0.01 0.012 0.014 0.016 0.018


FORMA DE ONDA DE LA TENSION DE SALIDA Vs SENOIDAL PURA

CORRIENTE DE SALIDA81506100

450

20

0-50

-100-2-150-4-200

00.002 0.004 0.006 0.008 0.01 0.012 0.014 0.016 0.018

-60 0.002 0.004 0.006 0.008 0.01 0.012 0.014 0.016 0.018Figura 3.11 Tensin y corriente a 50 kHz [18]


FORMA DE ONDA DE LA TENSION DE SALIDA Vs SENOIDAL P URA8

CORRIE NTE DE S A LIDA150 6100 450 20 0-50 -2-100 -4-150 -6-200

0 0.002 0.004 0.006 0.008 0.01 0.012 0.014 0.016 0.018

-80 0.002 0.004 0. 006 0.008 0.01 0. 012 0.014 0.016 0. 018

Figura 3.12 Tensin y corriente a 9.6 kHz [19]34

DISEO Y SIMULACIN DE INVERSORES3.8 Datos obtenidos a partir de formas de ondaEl programa computacional PSIM, empleado para la simulacin de las topologas, da adems de las formas de onda, los vectores de datos asociados.Utilizando dichos vectores se encontr la informacin necesaria para el clculo de la confiabilidad de las topologas en cuestin. A partir de los vectores de datos se obtuvieron:

1. Esfuerzos mximos de tensin y de corriente en dispositivos semiconductores y capacitores.

2. Prdidas en dispositivos semiconductores.

3.8.1 Esfuerzos mximosEn las tablas 3.4-3.6 se muestran los esfuerzos mximos en tensin y en corriente para los dispositivos de los convertidores [17], [18], y [19].

Tabla 3.4 Esfuerzos mximos en TM1, DM1, DM2, TM2 , y C [17]TM1DM1DM2TM2C (0-180)C (180-360)

20 kHz224 V, 32 A161 V, 17 A224 V, 31 A162 V, 18 A224 V, 26 A43 V, 17 A


Tabla 3.5 Esfuerzos mximos en TM2, DM2, TM1, DM1, y C [18]TM2DM2DM1TM1C (0-180)C (180-360)

20 kHz272 V, 41 A145 V, 25 4272 V, 41 A145 V, 25 A224 V, 35 A28 V, 23 A


Tabla 3.6 Esfuerzos mximos en tensin y en corriente en T1, T3, D1, D2, y C para [19]T1=T3D1=D2C

9.6 kHz201.25 V, 89.3 A188.8 V, 89.2 A153.2 V, 82.9 A

En la tabla 3.6 es importante notar la magnitud de los esfuerzos en corriente, resultados de la operacin del convertidor [19] en modo de conduccin discontinuo y que, comparados con los esfuerzos para los convertidores [17]y [18], resultan ser considerablemente mayores.

Las tablas 3.4 y 3.5 revelan el efecto que tiene el modo de operacin de los convertidores [17] y [18] sobre los esfuerzos en tensin y corriente. En particular, es notoria la consecuencia que tiene montar la seal sinusoidal sobre una componente de CD. El impacto principal es en los esfuerzos en tensin y corriente en los dispositivos que operan durante la generacin del semiciclo positivo.

35

DISEO Y SIMULACIN DE INVERSORESEn el siguiente apartado continuaremos explicando cules son los efectos del modo de operacin de las topologas sobre las prdidas en los dispositivos.

3.8.2 PrdidasLas prdidas por conduccin y conmutacin se calcularon empleando los vectores de datos de las formas de onda dadas por PSIM. Una de las limitaciones de PSIM es que considera a los interruptores como dispositivos ideales, debido a ello los resultados de prdidas obtenidos son una aproximacin.

Las prdidas por conmutacin para los IGBT se calcularon bajo el siguiente algoritmo:

1. Detectar la magnitud de los puntos de voltaje y corriente en el instante de las conmutaciones al encendido y apagado.

2. Multiplicar la magnitud de los puntos de voltaje y corriente en el instante de la conmutacin al encendido.

3. Multiplicar la magnitud de los puntos de voltaje y corriente en el instante de la conmutacin al apagado.

4. Realizar la sumatoria de los productos de los puntos de voltaje por la corriente al encendido y al apagado.

5. Multiplicar el resultado de la sumatoria por el factor a

trf L , si es el caso de2

conmutacin al encendido, y por el factor b

t ffL , si es el caso de2

conmutacin al apagado. El parmetro t f

es tiempo de cada del interruptor

seleccionado, tr

es el tiempo de subida, y

fL es la frecuencia de la lnea a lacual se desea inyectar la forma de onda de salida del inversor.

Debido a que los diodos seleccionados son de recuperacin rpida, sus prdidas por conmutacin se consideraron despreciables.

Las prdidas por conduccin para los IGBT y diodos, se calcularon obteniendo el promedio de la forma de onda de corriente del dispositivo y multiplicndola por el voltaje de conduccin.

En las tablas 3.7-3.12 se presenta la informacin relativa a las prdidas por conduccin y conmutacin para las topologas simuladas. Las prdidas por conduccin se calcularon suponiendo Vce= 1 V, y la prdidas por conmutacin suponiendo tf = tr =10 ns.

La informacin presentada en las tablas 3.7-3.12 da los valores base para calcular las

prdidas en funcin de las caractersticas particulares del dispositivo semiconductor seleccionado. Adems, permiten tener una idea de los porcentajes que aporta cada tipo de prdida al total de ellas.

36

DISEO Y SIMULACIN DE INVERSORESTabla 3.7 Prdidas por conduccin en Watts para [17] considerando Vce =1 V

TM1DM1DM2TM2

20 Khz12.341.933.984.11

50 Khz121.63.83.9

Tabla 3.8 Prdidas por conmutacin en Watts para [17] considerando tf = tr= 10 ns

TMONTM1OFFTM2ONTM2OFF

20 Khz0.140.190.0190.029

50 Khz0.340.460.0640.037

Tabla 3.9 Prdidas por conduccin en Watts para [18] considerandoVce =1 V

DM1TM1TM2DM2

20 Khz16.75.724.164.31

50 Khz15.54.843.93.9


TM1ONTM1OFFTM2ONTM2OFF

20 Khz0.0720.0480.270.21

50 Khz0.150.0920.540.41

Tabla 3.11 Prdidas por conduccin en Watts para [19] considerando Vce =1 V

T1=T3D1=D2

9.6 kHz10.414.56


T1=T3ONT1=T3OFF

9.6 kHz00.22

3.8.3 Prdidas en funcin de dispositivos semiconductoresPara el convertidor elevador [17] y el convertidor reductor-elevador [18], los interruptores M1 y M2 se pueden implementar de dos formas:

1. IGBT con diodo volante integrado.

2. IGBT en conjunto con diodo de recuperacin rpida en antiparalelo.37

DISEO Y SIMULACIN DE INVERSORESPara el clculo de prdidas se seleccionaron cuatro IGBT con diodo volante integrado, cuatro IGBT sin diodo volante integrado, y cuatro diodos de recuperacin rpida. Siempre y cuando cumplan con la forma uno y/o dos, y soporten los esfuerzos en tensin y corriente, los dispositivos seleccionados pueden emplearse para implementar M1 o M2.

Para la implementacin de T1=T3 y de D1=D2, correspondientes al convertidor reductor-elevador [19], T1 deber ser un IGBT sin diodo volante integrados y D1 un diodo de recuperacin rpida.

Las caractersticas de inters de los dispositivos seleccionados se muestran en las tablas 3.13-3.15.

Tabla 3.13 Caractersticas de los IGBT seleccionados (con diodo volante integrado)Ic25C AIc100CAPd(max)

25 CWPd(max)

100C WR jcC/WVce

(sat)VVce

(max)

VtfnstrnsI F100C Atrr100CnsVFM100CV

HGTG30N60C3D6330208880.6IGBT1.3DIODE1.860027515025501.4

SGH30N60RUFD4830235900.53IGBT0.83DIODE2.5600300120251051.3

SGL50N60RUFD80502501000.5IGBT1DIODE2.660025050301401.8

HGTG30N60A4D75604631860.27IGBT0.65DIODE2.6600602860551.8

Tabla 3.14 Caractersticas de los IGBT seleccionados (sin diodo volante integrado)DispositivoIcCONTINUA

25 C AIcCONTINUA

100 C APd(max)

25 C WPd(max)

100 C WR jcC/WVce

(sat)VVce

(max)

Vtfnstrns

FGPF30N3030-------4618.52.71.930030060

FGPF70N3070-------5220.82.41.9300250125

SGF80N60UF8040110451.12.660025060

SGH80N60UF8040195780.642.660025060

Tabla 3.15 Caractersticas de los Diodos de recuperacin rpida seleccionadosVFMVVBloqueoVIF125 CAtrrnsRjcC/W

FFPF20UP20DS120010504.3

FFPF20UP30S1.330020603.7

FFPF20UP30DN1.230010454

FFA60UP30DN1.330030450.53

38

DISEO Y SIMULACIN DE INVERSORESLas tablas 3.16-3.25 contienen los resultados de las prdidas en funcin de los dispositivos seleccionados. Se eligi presentar la informacin en tablas debido a que se considera que es la forma mas adecuada. En este caso, las tablas nos permiten condensar la informacin, comparar, y visualizar fcilmente las prdidas para distintos dispositivos.

La gama de informacin presentada en las tablas 3.16-3.25 permite conocer las prdidas aproximadas de algunos de los distintos dispositivos con los cuales se podran implementar las topologas [17], [18], [19]. Conociendo las prdidas y esfuerzos podemos calcular la confiabilidad de las topologas bajo distintas posibilidades de implementacin.

Prdidas Elevador [17]

En las tablas 3.16 y 3.17 se presentan las prdidas por conduccin y conmutacin para M1 y M2 del convertidor elevador [17] operando a 20 kHz y 50 kHz. En este caso se emplean IGBT con diodo volante integrado para la implementacin de M1 y M2. En las tablas 3.18 y 3.19 se presentan las prdidas suponiendo que TM1 y TM2 se implementan con IGBT sin diodo volante integrado. En la tabla 3.20, las prdidas suponiendo que DM1 y DM2 se implementan con diodos de recuperacin rpida.

Tabla 3.16 Prdidas en Watts para M1 del inversor elevador [17]HGTG30N60C3DSGH30N60RUFDSGL50N60RUFDHGTG30N60A4D

20 kHz50 kHz20 kHz50 kHz20 kHz50 kHz20 kHz50 kHz

Pc TM122.121.630.9303231.23231.2

Pon TM12.15.11.74.10.71.70.40.95

Poff TM15.212.75.713.84.811.51.22.8

Pc DM12.72.32.52.13.52.93.52.9

P M132.241.640.7504147.33737.8

Tabla 3.17 Prdidas en Watts para M2 del inversor elevador [17]HGTG30N60C3DSGH30N60RUFDSGL50N60RUFDHGTG30N60A4D


Pc TM27.7710.239.810.710.1410.710.14

Pon TM20.280.960.230.80.10.320.060.18

Poff TM20.810.91.10.720.920.180.22

Pc DM26.75.325.174.957.166.847.166.9

P M215.514.316.616.618.718.21817.4

39

DISEO Y SIMULACIN DE INVERSORESTabla 3.18 Prdidas en Watts para TM1 del inversor elevador [17]FGPF30N30FGPF70N30SGF80N60UFSGH80N60UF


Pc TM123.522.823.422.832.131.232.131.2

Pon TM10.821.84.30.8420.82

Poff TM15.713.84.811.54.811.54.811.5

P TM13038.73038.537.744.837.744.8

Tabla 3.19 Prdidas en Watts para TM2 del inversor elevador [17]FGPF30N30FGPF70N30SGF80N60UFSGH80N60UF


Pc TM27.87.417.87.4110.710.1110.710.11

Pon TM20.11400.380.240.80.1140.3840.1140.384

Poff TM20.871.110.720.920.7250.9250.7250.925

P TM28.88.98.779.1311.5311.4511.5311.45

Tabla 3.20 Prdidas en Watts para DM1 y DM2 del inversor elevador [17]FFPF20UP20DSFFPF20UP30SFFPF20UP30DNFFA60UP30DN


Pc DM11.931.62.52.082.31.922.52.08

Pc DM23.983.85.174.944.784.775.174.94

En este convertidor las prdidas de mayor magnitud, considerando que M1 y M2 son implementados con el mismo tipo de dispositivo, son las de M1 (ver tabla 3.16 y 3.17). Las prdidas por conduccin y conmutacin al apagado en TM1 (ver tabla 3.16) son las que mayor aporte tienen al total de prdidas de M1. Las prdidas por conmutacin al encendido de TM1 y conduccin de DM1 son las que menos aportan.

En M2 las prdidas por conduccin de TM2 y DM2 son las que aportan el mayor porcentaje al total de prdidas (ver tabla 3.17); para este caso las prdidas por conmutacin de TM2 al encendido y apagado son muy pequeas.

En primera instancia, las conclusiones de los prrafos anteriores indican que para

M1 se debe seleccionar un dispositivo con una tensin de conduccin (Vce) y tiempo de conmutacin al apagado ( tf ) pequeos. Por DM1 circula una corriente promedio pequea, y sus prdidas por conmutacin (considerando que DM1 se implementa con un diodo de recuperacin rpida) se desprecian, por lo tanto su seleccin no es crtica, sin embargo se debe de buscar que el dispositivo durante la conduccin tenga la menor cada en tensin posible. Los resultados de clculos de prdidas para distintos dispositivo (ver tablas 3.18-

3.20) indican que puede ser mejor opcin, al menos en cuanto a prdidas, implementar M1 con un IGBT (sin diodo volante integrado) en antiparalelo con un diodo de recuperacin

40

DISEO Y SIMULACIN DE INVERSORESrpida. De ah la importancia de las tablas 3.18-3.20, ya que nos permiten tener la informacin para hacer distintas implementaciones, y calcular parmetros de confiabilidad. Las tablas 3.4, 3.5, 3.6, 3.13, 3.14, y 3.15, complementan la informacin necesaria para la seleccin de dispositivos y clculo de parmetros de confiabilidad. Con la informacin dada en las tablas 3.7 y 3.8, se puede entender cul es el aporte de los distintos tipos de prdidas, considerando tiempos de conmutacin al encendido y apagado iguales, lo que permite una mejor seleccin de dispositivos.

Prdidas Reductor- Elevador [18 ]

En las tablas 3.21 y 3.22 se presentan las prdidas de conduccin y conmutacin en M1 y M2 operando el convertidor [18] a 20 kHz y 50 kHz, y suponiendo que se emplean IGBT con diodo volante integrado. En las tablas 3.23 y 3.24, las prdidas suponiendo que TM1 y TM2 se implementan con IGBT sin diodo volante integrado. En la tabla 3.25, las prdidas suponiendo que DM1 y DM2 se implementan con diodos de recuperacin rpida.

Tabla 3.21 Prdidas en Watts para M1 del inversor reductor-elevador [18]

HGTG30N60C3DSGH30N60RUFDSGL50N60RUFDHGTG30N60A4D


Pc TM110.38.7114.312.114.912.614.912.6

Pon TM11.082.250.861.80.360.750.20.42

Poff TM11.322.531.442.761.22.30.290.55

Pc DM123.421.721.7120.1530.127.930.0627.9

PM136.135.238.3136.846.543.5345.4241.5

Tabla 3.22 Prdidas en Watts para M2 del inversor reductor-elevador [18]HGTG30N60C3DSGH30N60RUFDSGL50N60RUFDHGTG30N60A4D


Pc TM27.5710.49.7510.8110.1410.8110.14

Pon TM248.14.058.11.352.70.761.51

Poff TM25.811.25.811.35.2510.251.272.46

Pc DM265.55.65.077.87.027.767.02

PM223.33225.8234.225.1830.1120.621.13

41

DISEO Y SIMULACIN DE INVERSORESTabla 3.23 Prdidas en Watts para TM1 del inversor reductor-elevador [18]FGPF30N30FGPF70N30SGF80N60UFSGH80N60UF


Pc TM110.99.210.97.914.912.614.912.6

Pon TM10.430.90.93.40.430.90.430.9

Poff TM11.442.81.25.251.22.31.22.3

PTM112.7412.861316.5316.515.816.515.8

Tabla 3.24 Prdidas en Watts para TM2 del inversor reductor-elevador [18]FGPF30N30FGPF70N30SGF80N60UFSGH80N60UF


Pc TM27.97.49.27.410.810.1410.810.1

Pon TM21.63.21.96.81.623.241.63.2

Poff TM26.312.32.310.25.210.255.210.2

PT M215.822313.424.4117.723.6317.723.63

Tabla 3.25 Prdidas en Watts para DM1 y DM2 del inversor re

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