Tesis introduccion 16 05-2016
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Centro de Investigación Científica de Yucatán, A.C. Posgrado en Energía Renovable Tema “DESARROLLO DE UN SISTEMA DE CONTROL PARA UNA CELDA DE COMBUSTIBLE PORTÁTIL”. Presenta: M. EN C. JUAN JOSE AGUAYO PUC Mérida, Yucatán 11 de noviembre de 2016
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Centro de Investigación Científica de Yucatán, A.C.
Posgrado en Energía Renovable
Tema
“DESARROLLO DE UN SISTEMA DE CONTROL PARA
UNA CELDA DE COMBUSTIBLE PORTÁTIL”.
Presenta:
M. EN C. JUAN JOSE AGUAYO PUC
Mérida, Yucatán 11 de noviembre de 2016
Tabla de contenido
Introducción..........................................................................................................................4
Capítulo 1..............................................................................................................................6
1.1 El hidrógeno como vector energético......................................................................................6
1.2. Almacenamiento de hidrógeno...............................................................................................8
1.2.1 Almacenamiento de hidrógeno a gas comprimido............................................................8
1.2.2 Almacenamiento de hidrógeno licuado.............................................................................8
1.2.3 Almacenamiento en hidruros metálicos............................................................................9
1.2.4 El etanol como portador de hidrógeno en celdas de combustible....................................9
1.3 Las celdas de combustible........................................................................................................9
1.4 Tipos de celdas de combustible..............................................................................................11
1.4.1 Celda de combustible alcalina (Alkaline Fuel Cell, AFC)...................................................11
1.4.2 Celda de combustible de ácido fosfórico (Phosphoric Acid Fuel Cell, PAFC)...................11
1.4.3 Celda de combustible de óxido sólido (Solid Oxide Fuel Cell, SOFC)...............................12
1.4.4 Celda de combustible de membrana de intercambio protónico (Proton Exchange Membrane Fuel Cell, PEMFC)...................................................................................................12
1.4.4.1 Celda de combustible de etanol directo (direct ethanol fuel cells, DEFC)....................13
1.4.5 Celda de combustible de carbonatos fundidos (Molten Carbonate Fuel Cell, MCFC).....14
1.4.6 Celda de combustible de metanol directo (Direct Methanol Fuel Cell, DMFC)...............14
1.5 Conversión de la energía........................................................................................................15
1.5.1 Convertidores de CD-CD..................................................................................................15
1.5.2 Convertidor Reductor o Buck..........................................................................................16
1.5.3 Convertidor elevador o Boost..........................................................................................17
1.5.3.1 Modos de operación.....................................................................................................17
1.5.4 Convertidor Reductor-Elevador o Buck-Boost.................................................................18
1.5.5 Convertidores conmutados.............................................................................................19
1.5.6 modelado y simulación de convertidores conmutados...................................................20
1.5.7 Control de convertidores.................................................................................................21
1.5.7.1 Control en convertidores CD-CD...................................................................................21
1.6 Aplicación de los convertidores CD-CD...................................................................................22
1.6.1 Aplicaciones de los convertidores en celdas de combustible Etapas de conversión diagrama a bloques..................................................................................................................23
1.6.2 Tipologías aisladas...........................................................................................................24
1.6.2.1 Convertidor de puente completo aislado.....................................................................25
1.6.2.2 Convertidor push-pull aislado.......................................................................................25
1.6.3 Tipologías no aisladas......................................................................................................26
1.6.3.1 Convertidor Boost........................................................................................................26
1.7 Justificación............................................................................................................................32
1.8 Objetivo General....................................................................................................................33
1.9. Objetivos específicos.............................................................................................................33
1.10 Hipótesis...............................................................................................................................34
CAPITULO 2.........................................................................................................................35
2.1 Metodología...........................................................................................................................35
2.1.1 Elementos que integran el convertidor...........................................................................35
2.1.1.1 Mosfet.........................................................................................................................35
2.1.1.2 Diodo...........................................................................................................................39
2.1.1.3 Inductor........................................................................................................................43
2.1.1.4 Condensador................................................................................................................43
2.1.1.5 Driver o controlador del convertidor............................................................................44
2.2 Operación del convertidor..................................................................................................45
2.2.1 PWM o Modulación por anchura del pulso.....................................................................45
2.2.2 Rizado de corriente en la inductancia.............................................................................48
2.2.3 Rizado de tensión en el condensador..............................................................................49
2.2.4 Efecto de las inductancias parásitas: condensadores de desacoplo................................51
Capítulo 3............................................................................................................................54
Experimentación..........................................................................................................................54
Material utilizado.....................................................................................................................54
Preparación de la Placa PCB.....................................................................................................56
Perforado de la placa PCB........................................................................................................57
Estañado de la placa.................................................................................................................57
Soldadura de componentes......................................................................................................57
Diseño de la placa de potencia.................................................................................................57
Introducción
La energía es uno de los grandes soportes para el desarrollo de la
humanidad y el mejoramiento de la calidad de vida. La energía no es un fin en sí
mismo sino un medio para alcanzar la meta de desarrollo humano sostenible [1].
Sin embargo en la actualidad existe una crisis energética y ambiental, las reservas
de los combustibles fósiles están siendo usadas tan rápidamente que están en
peligro de terminarse sin posibilidad de ser reemplazadas, y por si fuera poco la
demanda energética ha crecido considerablemente en la última década
promoviendo una mayor quema de combustibles causando un deterioro en el
ambiente [2]. Además, la disminución progresiva de las reservas de combustibles
fósiles y los problemas de contaminación ambiental asociados a su combustión,
han atraído la atención de los investigadores hacia la búsqueda de nuevas fuentes
de energías limpias y renovables. Una de las tecnologías con mayor potencial en
este campo es la utilización del hidrógeno como vector energético para la
generación de electricidad [3]. Una de las alternativas más prometedoras para la
utilización del hidrógeno es la celda de combustible, cuya principal característica
es que proporcionan energía sin contaminación, que tienen la capacidad de
generar cantidades predecibles de potencia instantánea, la cual no es posible en
otros sistemas de energía renovables como la fotovoltaica o eólica debido a la
variabilidad de la radiación solar o la velocidad del viento. Mientras que los
sistemas basados en celdas de combustible pueden mantener con mayor
estabilidad la potencia de salida [4].
Las celdas de combustible son ampliamente reconocidas como una de las
tecnologías más prometedoras para satisfacer las futuras necesidades de
generación de energía [5, 6]. En el ámbito internacional, las regulaciones
ambientales y el precio del crudo han incentivado la búsqueda de nuevos
dispositivos para producir energía de forma eficiente y poco contaminante. Sin
lugar a dudas, las celdas de combustible son dispositivos que cumplen estas
características, pues son más eficientes que la mayoría de las máquinas de
combustión y generan menos emisiones [7]. Por este motivo, se considera a las
celdas de combustible una apuesta viable para la generación de energía. Sin
embargo, es importante mencionar que aunque se vislumbran como una
tecnología prometedora existen problemas asociados a la potencia entregada ya
que la celda proporciona una potencia no regulada, lo que conlleva a implementar
acondicionadores electrónicos que conviertan la potencia generada por la celda de
combustible a una potencia regulada que permita obtener un potencial especifico
en sus terminales de salida así como una corriente constante, estos sistemas que
se encargan de realizar la regulación de potencia llevan el nombre de sistemas de
control.
Los sistemas de control asociados a las celdas de combustible juegan un
papel importante en el campo de las energías renovables. La demanda de estos
dispositivos aumentará a medida que las investigaciones en sistemas de control
rindan frutos y se obtengan mejores respuestas de salida en el sistema. Estos
sistemas constan de diferentes partes, uno de estas es el acondicionador
electrónico de potencia, que es aquel que transforma los potenciales no regulados
de la salida de la celda a un nivel aceptable, dependiendo de la aplicación a la
cual se asocie el sistema. Un acondicionador de potencia de alta eficiencia es un
requisito esencial y un parámetro clave del sistema en general. Esto es porque el
tamaño, costo, eficiencia y fiabilidad del sistema para diferentes aplicaciones
dependen principalmente del convertidor. Por lo tanto, la selección de una
topología de convertidor apropiado es un aspecto importante y fundamental en el
diseño de un sistema de celdas de combustible para aplicaciones portátiles [8].
Algunas aplicaciones portátiles como la alimentación para la recarga de teléfonos
celulares requieren una alimentación de energía continua y que las tensiones y
amperajes a la salida se encuentren reguladas. Las tensiones de carga superior e
inferior definidas por la potencia de carga podrían exponer a la celda de
combustible a transitorios de carga variable o condiciones de funcionamiento
inconvenientes que reducen la vida útil de la celda de combustible [4].
Capítulo 1
1.1 El hidrógeno como vector energético
Dado los incrementos del consumo de petróleo en un periodo de tiempo no
muy lejano se tendrán serias dificultades en su disponibilidad debido al incremento
de la demanda. Por otro lado, por primera vez somos conscientes del impacto tan
negativo sobre el medio ambiente al seguir utilizándolos indiscriminadamente. Por
tanto, nos toca buscar un sustituto con capacidades similares a las del petróleo
que permita mantener los niveles de desarrollo y de bienestar alcanzados por
algunos combustibles y su generalización a aquéllos que todavía están a la puerta
de una sociedad desarrollada y democrática [9].
En la actualidad se utilizan combustibles pétreos para generar la mayor
parte de energía eléctrica consumida en el mundo, esta actividad mayoritaria
proyecta a la atmósfera emisiones de gases de efecto invernadero y en
consecuencia se genera gran contaminación al medio ambiente [10]. Una de las
principales problemáticas que actualmente tenemos como sociedad es la fuerte
dependencia a los combustibles fósiles, esto genera un efecto negativo sobre el
medio ambiente y es el causante de una parte importante del calentamiento
global. Una alternativa viable para sustituir los combustibles fósiles es la utilización
del hidrógeno como vector energético.
En la actualidad la producción de hidrógeno resulta costosa y se basa en
gran medida la gasificación de combustibles fósiles a altas presiones y
temperaturas [11]. Los métodos cimentados en energías renovables no se
encuentran suficientemente desarrollados sin embargo las investigaciones que se
llevan a cabo en la actualidad han estado avanzando a un ritmo acelerado y se
especula que a mediano y largo plazo sean fructíferas y den resultados que
palpables para la sociedad [12].
La característica del hidrógeno que lo convierte en la mejor opción es que
es un portador de energía como la electricidad, Toda la energía que puede
convertirse en electricidad también puede convertirse en hidrógeno. Además, el
hidrógeno complementa a la electricidad para almacenar y transportar la energía
[13]. Las propiedades más destacables del hidrógeno, son:
• Más eficiente que los otros combustibles.
• Es inagotable y seguro.
• Es fácilmente almacenable y transportable.
• No altera el estado de la atmósfera, no contamina.
• Es económico de producir (una vez invirtiendo en la conversión a partir
de tecnología solar eólica, técnicas maduras)
Parece indiscutible que el hidrógeno producido a partir de la energía
renovable será la base energética del futuro, tales sistemas de producción de
hidrógeno pueden basarse en energía solar, energía del océano, energía eólica
[12]. Sin embargo, una limitante importante para la aplicación de las celdas de
combustible a gran escala es el sistema de almacenamiento, en este tema radican
retos tecnológicos importantes que deben ser resueltos en el corto plazo.
1.2. Almacenamiento de hidrógeno
Considerando al hidrógeno como combustible surge de inmediato la
necesidad de encontrar contenedores apropiados para su almacenamiento y
transporte. El volumen que ocupa un combustible es un factor importante para su
almacenamiento. Con respecto al hidrógeno, la energía consumida para su
almacenamiento y transporte debe ser mínima para poder maximizar la energía
llevada para realizar trabajo. Dentro de las principales formas de almacenamiento
están:
1.2.1 Almacenamiento de hidrógeno a gas comprimido
Este método ha sido extensamente usado durante muchos años. Pero el
inconveniente de almacenar el hidrógeno como gas comprimido es que requiere el
uso de cilindros contenedores a alta presión que suelen tener costos elevados en
comparación con su costo-beneficio, por lo que sólo suele ser práctico para
pequeñas cantidades [14].
1.2.2 Almacenamiento de hidrógeno licuado
Esta forma de almacenamiento permite incrementar la masa de hidrógeno
con relación al volumen del contenedor. Se almacena en tanques criogénicos a -
252 C a presión atmosférica. Debido a la baja temperatura crítica del hidrógeno, -
241 C, sólo puede almacenarse en forma líquida en sistemas abiertos para evitar
una fuerte sobrepresión. Por lo tanto, la transferencia de calor a través de las
paredes del contenedor produce una pérdida de hidrógeno por evaporación. Esta
pérdida esta en función del tamaño, la forma y el aislamiento térmico del
recipiente. También es proporcional a la relación superficie/volumen, por lo cual la
velocidad de evaporación disminuye al aumentar el tamaño del contenedor. La
energía teórica para licuar el hidrógeno es de 3.23 kWh/kg, pero el trabajo técnico
es 15,2 kWh/kg, casi la mitad del valor calórico más bajo de combustión. El gran
consumo de energía para la licuefacción y la continua pérdida por evaporación
limita los sistemas de almacenamiento de hidrógeno líquido [15].
1.2.3 Almacenamiento en hidruros metálicos
La base del método consiste en que ciertos metales como el Li, Mg, Ca, Na y
aleaciones metálicas tienen la propiedad de formar enlaces covalentes reversibles
cuando reaccionan con el hidrógeno, formando lo que se conoce como hidruros
metálicos, que se descomponen cuando se calientan liberando el hidrógeno,
absorber el gas a temperaturas bajas y a una presión suficiente para que la
aleación de hidruro se completamente. Después se calienta para descomponer el
hidruro, liberando el gas a una presión más elevada [16].
1.2.4 El etanol como portador de hidrógeno en celdas de combustible
El etanol como sustitutos del hidrógeno es una alternativa, a combustibles
líquidos impulsando el desarrollo de celdas de combustibles alimentadas
directamente con este combustible, sin la necesidad de procesos de reformado
para la producción de hidrógeno. El presente trabajo de investigación utilizará una
celda de combustible alimentada por etanol. Los problemas que se presentan hoy
en día, con los sistemas centralizados distribuidores de energía eléctrica son,
entre otros, los de transporte, distribución y almacenamiento. Del conjunto de
alternativas, el etanol está en ventaja por su fácil almacenamiento para ser
utilizado en celdas de combustible.
1.3 Las celdas de combustible
Se consideran una alternativa viable como fuente de energía, son
silenciosas y no producen emisiones contaminantes. Ideal para utilizarlas como
generadores de energía con mínimo impacto al medio ambiente. Varios estudios
consideran que la implementación de las celdas de combustible a gran escala
puede reducir la contaminación del aire en las ciudades. El Departamento de
Energía de los Estados Unidos (USA) considera que si un 10% de los automóviles
registrados en USA fueran movidos con esta tecnología los contaminantes del aire
se verían reducidos en un millón de toneladas al año y que 60 millones de
toneladas de dióxido de carbono se eliminarían completamente. Con estas
mismas consideraciones se reducirían alrededor de un 13% las importaciones de
petróleo [13].
La celda de combustible no está limitada por el ciclo de Carnot, ofrece
eficacias de conversión mayor que las que pueden conseguir los generadores
térmicos. Los diferentes tipos de celdas tienen variadas eficiencias, dependiendo
del tipo y del diseño varían del 40% al 60%. La eficacia de la celda de combustible
es aproximadamente constante en el intervalo del 25 a 100% de su potencia
energética. Las celdas alcalinas pueden llegar al 70% y las de óxido sólido
(SOFC) pueden alcanzar el 80% cuando el calor sobrante se utiliza para calentar
agua y se combina con sistemas de cogeneración [17].
La fuente primaria de combustible de una celda es el hidrógeno, que se
puede obtener de carbón, metanol, etanol, gas natural, gas licuado (Liquefied
Petroleum Gas, LPG) y otros carburantes que contengan hidrocarburos. Las
celdas de combustible permiten promover una diversidad de energía y una
transición hacia fuentes de energía renovables. La energía también podría ser
provista a partir de biomasa, sistemas eólicos o bien energía solar [18]. La celda
de combustible produce energía mediante un proceso electroquímico y no por
combustión, con lo que las únicas emisiones distintas de aire y agua serán las
procedentes del tratamiento del combustible. Las centrales energéticas de celdas
de combustible que operan con combustibles procedentes del petróleo o carbón
producirán emisiones de dióxido de azufre y óxido nitroso de menos de 0,045 y 90
gramos respectivamente por un millón de Btu. Las emisiones de azufre son bajas
porque las centrales energéticas de celdas de combustible no toleran bien los
compuestos de azufre; y así, estos compuestos se separan mediante un
subsistema especial en la planta de tratamiento de combustible. Las otras
emisiones son bajas debido a la limpieza inherente de los procesos
electroquímicos. Una central de celdas de combustible opera silenciosamente y no
requiere aportación de agua a una temperatura inferior a 35 ºC para su
refrigeración. Debido a estas características se puede instalar una central de celda
de combustible en la misma zona urbana a la que alimenta [19].
1.4 Tipos de celdas de combustible
Las celdas de combustible se pueden clasificar de diferentes formas:
temperatura de operación, eficiencia, aplicaciones y costo. En este trabajo de
investigación las clasificaremos de acuerdo al tipo de electrolito utilizado la cual se
catalogan en seis grupos principales [20].
1. Celda de combustible alcalina (Alkaline Fuel Cell, AFC)
2. Celda de combustible de ácido fosfórico (Phosphoric Acid Fuel Cell, PAFC)
3. Celda de combustible de óxido sólido (Solid Oxide Fuel Cell, SOFC)
4. Celda de combustible de carbonatos fundidos (Molten Carbonate Fuel Cell,
MCFC)
5. Celda de combustible de membrana de intercambio protónico (Proton
Exchange Membrane Fuel Cell, PEMFC)
6. Celda de combustible de metanol directo (Direct Methanol Fuel Cell, DMFC)
1.4.1 Celda de combustible alcalina (Alkaline Fuel Cell, AFC)
La celda de combustible alcalina, genera energía eléctrica por medio de un
electrolito alcalino de hidróxido de potasio (KOH) en solución base agua. El 70 %
de estas celdas tienden a ser contaminadas en su interior por dióxido de carbono.
La solución a base de agua (KOH) utilizada como electrolito absorbe CO2 en la
conversión de KOH a carbonato de potasio (K2 CO3) y, como consecuencia se
presenta el envenenamiento. Por lo tanto, suelen usar aire purificado u oxígeno
puro, lo cual aumenta el costo de funcionamiento, uno de los retos en estas
celdas, es encontrar un sustituto del KOH [21].
1.4.2 Celda de combustible de ácido fosfórico (Phosphoric Acid Fuel Cell, PAFC)
Utilizan electrodos de papel carbón y electrolito líquido de ácido fosfórico
(H3 PO4). La solución de H3PO4 (3.09% (H), 31.6% (P) y 65.3% (O)) es un líquido
transparente e incoloro utilizado en fertilizantes, detergentes, saborizantes para
alimentos y productos farmacéuticos. La conductividad iónica del ácido fosfórico,
es baja en temperaturas reducidas entre 150 y 220 ºC. El portador de carga en
este tipo de celda de combustible, es el ion hidrógeno (H+ o protón). Pasan del
ánodo al cátodo a través del electrolito y los electrones generados, vuelven al
cátodo a través del circuito externo y generan la corriente eléctrica. En el electrodo
catódico, el agua se forma como resultado de la reacción entre los electrones,
protones y el oxígeno en presencia de un catalizador de platino para acelerar las
reacciones. Normalmente, el agua generada, se utiliza en aplicaciones de
calentamiento. Cabe resaltar, que la operación continúa del sistema a 40 ºC es
una preocupación constante, debido a la solidificación del ácido fosfórico a esta
temperatura [22].
1.4.3 Celda de combustible de óxido sólido (Solid Oxide Fuel Cell, SOFC)
Se caracterizan por su alta temperatura de operación, se conforman de un
electrolito cerámico sólido. Generalmente, se utilizan una mezcla de hidrógeno y
monóxido de carbono formado internamente por el reformado del hidrocarburo
como combustible, además del aire como oxidante. La circonia estabilizada con
itria (Yttria Stabilized Zirconia, YSZ) es el electrolito más utilizado en estas celdas,
debido a su elevada estabilidad química y térmica, además de su alta
conductividad iónica [23].
1.4.4 Celda de combustible de membrana de intercambio protónico (Proton
Exchange Membrane Fuel Cell, PEMFC)
En las celdas de combustible de membrana de intercambio protónico, el
hidrógeno es activado por catálisis para formar iones protónicos y expulsar los
electrones del ánodo hacia el cátodo. El protón pasa a través de la membrana
mientras que el electrón es forzado a fluir por un circuito externo y por lo tanto
generar electricidad. Entonces, el electrón regresa al cátodo, donde interactúa con
el oxígeno y el ion protónico para formar agua. Básicamente, la celda PEMFC se
compone de placas bipolares y ensamblajes electrodos-membrana (electrode
membrana assemblies, MEAs). Este ensamble, se compone de una capa
catalizadora dispersa, una capa de carbono o de difusión del gas y la membrana.
La membrana sirve para transportar los protones desde el ánodo al cátodo y
bloquear el paso de los electrones, así como de los reactivos [24].
1.4.4.1 Celda de combustible de etanol directo (direct ethanol fuel cells, DEFC)
Las DEFC se constituyen en una adaptación de las PEMFC, utilizando de
igual forma un electrolito polimérico pero alimentadas directamente con etanol, en
lugar de utilizar hidrógeno [25].
Una DEFC consiste en un electrodo cargado negativamente (ánodo) y un
electrodo cargado positivamente (cátodo), los cuales se caracterizan por ser
conductores electrónicos separados por un electrolito, que es una membrana de
intercambio protónico. En el compartimento anódico se alimenta una solución
acuosa de etanol, donde el etanol se oxida para producir dióxido de carbono y
liberar simultáneamente protones y electrones. Los protones son transportados al
cátodo a través del electrolito y los electrones fluyen a través del circuito externo al
cátodo. Los protones en las celdas de combustible permanecen en un estado
iónico viajando de molécula a molécula a través del uso de materiales poliméricos
especiales, la conducción de los protones se da por migración y difusión a través
de la membrana. En el cátodo, el oxidante (ya sea aire u oxígeno puro) reacciona
con los protones y los electrones transportados desde el ánodo para producir agua
como se muestra en la Figura 1. Tanto el ánodo como el cátodo contienen un
catalizador para acelerar los procesos electroquímicos [26].
Fig 1: Esquema del principio de operación de una celda DEFC [27]
1.4.5 Celda de combustible de carbonatos fundidos (Molten Carbonate Fuel Cell,
MCFC)
Las celdas de combustible de carbonatos fundidos, son celdas de alta
temperatura. Utilizan como electrolito una mezcla de sales de carbonatos
fundidos, suspendidos en una matriz cerámica porosa, químicamente inerte y
conformada del material beta-alúmina (Beta Alumina Solid Electrolyte, BASE) [28]
1.4.6 Celda de combustible de metanol directo (Direct Methanol Fuel Cell, DMFC)
La celda de combustible de metanol directo, es una celda PEMFC en la que
el combustible en lugar de ser H2 es metanol. Cabe resaltar que en esta sub-
clasificación, también se encuentran las celdas de etanol. Son una fuente de
energía para fines portátiles, debido a la baja temperatura de operación, larga vida
útil y rápido reabastecimiento de combustible. Actualmente, se han realizado
investigaciones en este tipo de celdas sobre las características de operación
considerando temperaturas tan bajas como -5 ºC a -10 ºC, además del auto
calentamiento (generación de calor a partir de la reacción electroquímica
correspondiente). Sin embargo, se obtuvo un bajo rendimiento, comparado con el
que se obtiene a temperatura ambiente. Cabe resaltar que las celdas DMFC son
consideradas como fuentes de energía limpia y renovable. La fuente de energía de
estas celdas es el metanol. En el ánodo, el metanol se transforma a dióxido de
carbono (CO2) mientras que en el cátodo se forma agua o vapor con el oxígeno
disponible en el aire [29].
En la siguiente figura 2 se presentan las comparaciones de las celdas de
combustible presentadas.
Fig. 2 comparación de las diferentes celdas de combustible y sus reacciones
electroquímicas [30]
1.5 Conversión de la energía
La energía no se crea ni se destruye, simplemente se transforma. La
energía puede transformarse de una forma a otra, de electricidad a calor o de
calor a electricidad. Aunque el que pueda convertirse no significa que sea éste un
proceso siempre fácil [31].
1.5.1 Convertidores de CD-CD
Un convertidor CD-CD convierte en forma directa de CD a CD (una
magnitud de corriente directa a otra magnitud de corriente directa) [32]. Un
convertidor CD es equivalente en CD de un transformador CA se puede usar para
subir o bajar el voltaje de una fuente [33]. Los convertidores CD-CD más
importantes son Reductor o Buck, Elevador o Boost y el Elevador- Reductor o
Bock-Boost.
1.5.2 Convertidor Reductor o Buck
Suministra un voltaje de salida menor al voltaje de entrada; presenta dos
modos de operación.
Fig. 3 Convertidor reductor o Buck [34]
Modos de operación
1. Se cierra el transistor Q1 en t=0, entonces la corriente de entrada aumenta,
pasa por el inductor L, el capacitor C, y la resistencia R, la corriente del
inductor (iL) aumenta hasta que el transistor Q1 se abre en un tiempo t=kT
siendo k el ciclo de trabajo y T el periodo.
2. El interruptor Q1 se abre en t=kT, el diodo de marcha libre Dm conduce la
energía almacenada en el inductor, y la corriente del inductor pasa por la
carga R, el capacitor C, el inductor L y el diodo de marcha libre Dm. La
corriente del inductor baja hasta que el transistor Q1 se enciende de nuevo,
en el siguiente ciclo [35].
1.5.3 Convertidor elevador o Boost
Este convertidor de cd a cd obtiene a su salida una tensión mayor que su
entrada. Un convertidor de este tipo presenta una tensión de salida mayor que la
tensión de la fuente, pero la corriente de salida es menor que la de entrada, su
tipología está representada en la figura 4.
Fig. 4. Convertidor elevador o Boost [36]
1.5.3.1 Modos de operación
Su funcionamiento es similar al reductor Buck pues de igual forma tiene dos
pasos a seguir, La operación del circuito se puede dividir en dos modos.
1. Empieza cuando se activa el transistor Q en t = 0. La corriente de entrada,
que se eleva, fluye a través del inductor L y del transistor Q.
2. Empieza cuando se desconecta el transistor Q en t = t1. La corriente que
estaba fluyendo a través del transistor fluirá ahora a través de L, C, la carga
y el diodo D.
La corriente del inductor se abate hasta que se vuelve a activar en el
siguiente ciclo del transistor Q. La energía almacenada en el inductor L es
transferida a la carga [36]. Los circuitos equivalentes para estos modos (descritos
en el punto 1 que se refiere al modo 1 y punto 2 que se refiere al modo 2) de
operación se aparecen en la figura 5.
Fig. 5. Modos de operación de convertidor Boost. Elaboración propia
1.5.4 Convertidor Reductor-Elevador o Buck-Boost
El convertidor buck-boost provee un voltaje de salida que puede ser mayor
o menor al de la entrada, asimismo la polaridad de la salida es inversa a la de la
entrada.
1. El transistor Q está activo y el diodo D tiene polarización inversa. La
corriente de entrada, que se eleva, fluye a través del inductor L y del
transistor Q.
2. El transistor Q es conmutado y la corriente, que fluirá a través del inductor
L, fluirá a través de L, C, D y la carga. La energía almacenada en el
inductor L se transferirá a la carga y la corriente del inductor se abatirá
hasta que el transistor Q vuelva activarse en el siguiente ciclo.
En la figura 6 se muestra el diagrama del circuito reductor-elevador y en la
figura 7 sus circuitos equivalentes [37].
Fig. 6 Convertidor Buck-Boost. Elaboración propia
Fig. 7 Modos de operación convertidor Buck-Boost. Elaboración propia
1.5.5 Convertidores conmutados
Los convertidores conmutados tienen alta eficiencia y alta densidad de
empaquetamiento de energía [38]. Los convertidores conmutados utilizan uno o
más interruptores para transformar un nivel de voltaje o corriente a otro. El método
común para controlar la salida del convertidor es variar la magnitud del pulso de
una onda rectangular periódica o mejor llamada PWM que se puede observar en
la figura 8. El periodo se define como T = t on + t off. Para lógica positiva ton significa
que el interruptor está cerrado, y t off significa que el interruptor está abierto.
Ajustando el tiempo ton, se controla la variable de salida promedio. El ciclo de
utilidad d, está definido como la razón de tiempo ton al periodo de conmutación T
[38].
Fig. 8. Señal PWM para un convertidor CD-CD [38]
1.5.6 modelado y simulación de convertidores conmutados
La simulación y el modelado son fundamentales en el análisis y diseño de
convertidores de potencia. El modelado, simulación y el diseño asistido por
computadora en la electrónica de potencia se ha abordado en los últimos años
[39]. En la obtención de los modelos dinámicos para los convertidores cd-cd se
hace uso de las leyes de kirchoff para voltaje y corriente, abreviadas LKV y LKC.
Para realizar esto, los interruptores del sistema se colocan en una posición 0 o 1,
lo cual generan circuitos equivalentes del convertidor asociados a los modos de
operación del sistema. Al combinar las ecuaciones de los modos de operación del
sistema, se obtiene el modelo instantáneo o conmutado o unificado. El modelo
obtenido es un modelo no-lineal y variante en el tiempo, formado por ecuaciones
diferenciales que describen matemáticamente el comportamiento del sistema. La
pro-mediación es una técnica de análisis exitosa que ha sido extensamente
empleada desde los inicios de la electrónica de potencia [39].
1.5.7 Control de convertidores
Los convertidores CD-CD son modelados matemáticamente como sistemas
dinámicos y con entradas y es posible aplicarles teoría del control. El control se
ocupa del diseño de un subsistema de regulación para mejorar el desempeño del
convertidor. Aunque modelos promedio son modelos no lineales y variantes en el
tiempo se pueden linealizar, alrededor de un punto de operación constante, para
producir un modelo LTI, y aplicarle varias técnicas de control moderno como
respuesta en frecuencia o localización de raíces [40].
1.5.7.1 Control en convertidores CD-CD
El control regula la tensión a la salida y mejorara una respuesta dinámica esto lo
hace cambiando el ciclo de trabajo para que la señal de salida este regulada.
1. Primera señal de control, frecuencia fija, fig. 9 se ven señales de control
cuando el tON varía y la frecuencia se mantiene constante.
2. Segunda señal de control, frecuencia variable, donde el control puede
hacerse ya sea con tON fijo o variable fig 10 [41].
Figura. 9 Frecuencia fija [41]
Fig. 10 control a frecuencia variable a) tiempo de conmutación fijo b) tiempo de
conmutación variable [41]
1.6 Aplicación de los convertidores CD-CD
Los dispositivos portátiles que funcionan con baterías, como los teléfonos
celulares, ordenadores portátiles y reproductores de MP3, etc. se han convertido
en una tendencia creciente y su uso es parte de nuestra vida cotidiana. En la
actualidad ha aumentado considerablemente nuestra necesidad de dispositivos
portátiles más pequeños y optimizados notándose una tendencia cada vez más
evidente hacia su miniaturización y complejidad. Estos dispositivos
indudablemente para su funcionamiento requieran fuentes de energía cada vez
más potentes y duraderas. La batería de iones de litio están llegando al límite de
su capacidad energética en cuanto al diseño de su espacio disponible y en la
relación peso/volumen de los nuevos dispositivos electrónicos, requiriéndose cada
vez más sistema de energía con mayor densidad de potencia y peso ligero. Las
celdas de combustible son capaces de cumplir estos requisitos, debido al alto
contenido de energía de sus combustibles. Un esquema de sistema de energía de
células de combustible se muestra en la Fig. 11
Fig. 11 Celda de combustible acoplada en una aplicación para alimentar una
computadora portátil [42]
Los convertidores CD-CD convierten una tensión continua ya sea
procedente de baterías o de otra fuente de alimentación como las celdas de
combustible pudiendo obtener a la salida una tensión menor, igual o mayor a la de
la entrada.
Se pueden alimentar diferentes equipos a diferentes tensiones de
alimentación a partir de una única fuente de alimentación. Además son capaces
de transformar tensiones de corrientes continuas en otras tensiones aptas para
suministrar energía eléctrica a diferentes equipos electrónicos [32].
1.6.1 Aplicaciones de los convertidores en celdas de combustible Etapas de
conversión diagrama a bloques.
De acuerdo a las características de cada celda de combustible se puede
concebir el desarrollo de acondicionadores de potencia específicos. Este elemento
juega un papel muy importante, de él dependerá muchas veces la aplicación que
se le dará a la energía que se obtiene de la celda. El voltaje generado en de una
celda de combustible puede tratarse individualmente dado al uso de topologías de
convertidores de CC/CC y con CC/CA [43]. Blaabjerg et al., reporta un diagrama a
bloques que se representan en la figura 12 donde cada bloque es una tipología
individual (circuito diferente en cada etapa).
Fig. 12 Configuración a bloques de las tipologías propuestas en [43]
En la figura 9 es posible observar los bloques de conversión después de la
celda de combustible, como primera parte se presenta un convertidor DC/DC, de
forma inmediata tenemos un inversor DC/AC. Este tipo de configuraciones
requiere de una densidad energética lo suficientemente grande para no disminuir
la potencia al atravesar las etapas de cambio ya que cada etapa resta energía al
hacer la conversión DC/CD y DC/AC. Esta propuesta puede ser utilizada en
aplicaciones residenciales o industriales y requieren una celda de combustible lo
suficientemente grande para proporcionar una densidad energética alta.
1.6.2 Tipologías aisladas
En aplicaciones que requieren una alimentación de alto de voltaje, se usan
transformadores de alta frecuencia [44]. Las topologías son basadas con la
estructura del tipo push-pull o tipo puente (completo o medio), dependiendo de los
niveles de potencia. El funcionamiento de este tipo de convertidores se da en tres
pasos, 1) se toma una señal de corriente continua 2) se hace pasar por un circuito
que la convierte la señal en una alterna de alta frecuencia 3) la resultante la
dirigimos a un transformador la cual eleva su voltaje y 4) para finalizar a la salida
del transformador utilizamos un circuito rectificador para volver la señal a una
continua de nuevo. La principal desventaja de estas arquitecturas es la reducción
en la eficiencia debido a los componentes adicionales en las múltiples etapas de
conversión
1.6.2.1 Convertidor de puente completo aislado
Este convertidor propuesto por Haiping et. al., [45] expone un convertidor de
doble puente que se caracteriza por 3 fases que se pueden observar en la Fig. 13.
En la parte uno, tenemos 4 transistores acoplados a un diodo, y se puede esperar
a la salida de A y B una señal alterna regulada para ser aprovechada por un
transformador la cual elevará o reducirá el voltaje dependiendo de la aplicación,
como último paso tenemos un puente de diodos que rectificará la señal
proveniente del transformador y obtendremos de nuevo una corriente continua.
Esta tipología protege de sobre corrientes a la celda de combustible ya que
tenemos una aplicación aislada de la carga que consumirá la energía.
Fig. 13 Convertidor de puente completo aislado de [45]
El autor menciona que la estrategia de control que utiliza para estabilizar la
pulsación PWM (la señal de tren de impulsos que se inyecta en los transistores) es
de muestreo de corriente a la salida del sistema.
1.6.2.2 Convertidor push-pull aislado
En la Fig 14. Podemos observar la siguiente configuración de elementos
que integran el circuito.
Este convertidor constan de dos conmutadores principales S1 y S 2, dos
interruptores de dos trayectorias auxiliares de S un 1 y S un 2, un condensador de
sujeción C c, dos condensadores amortiguadores C S 1 y C S 2, dos inductores de
fuga L K 1 y LK 2, un filtro C o, el inductor L en y cuatro diodos rectificadores en la
salida D1 - D4 [46].
El autor diseño este convertidor para una tensión de entrada entre 23 y 48
V con una frecuencia de conmutación de 100 KHz; Tensión de salida de 400 V
estático para alimentar una carga conectada de 1 kw.
Fig 14. Convertidor push pull de conmutación suave propuesto en [46]
1.6.3 Tipologías no aisladas
Las tipologías no aisladas (sin aislamiento galvánico) no cuentan con
transformador en su estructura de circuito, por lo cual se aprovechan otros
métodos para la conversión de la señal entrante.
1.6.3.1 Convertidor Boost
En este convertidor la energía de entrada (Vin) la proporciona una celda de
combustible. Como se observa en la Fig. 15, el transistor MOS1 funciona como un
interruptor electrónico con control en la compuerta, siendo el dispositivo de
conmutación que requiere de una señal por modulación de ancho de pulsos
(PWM) para la activación y desactivación. El PWM es una técnica que modifica el
ciclo de trabajo de una señal cuadrada de frecuencia constante [47]. Los autores
después de una serie de exhaustivas pruebas térmicas y de confiabilidad
propusieron esta tipología.
Fig. 15 Convertidor Boost propuesto por [47]
Otro trabajo reportado en [42] por JJ Brey et. al. Propone un convertidor
Boost similar al anterior pero con algunas modificaciones la cual se expresan en la
fig.16.
Fig. 16. Convertidor elevador Boost con dos transistores semiconductores y
controlador Texas [42]
Esta topología no necesita un transformador por lo tanto no está aislada y
cuenta con pocos elementos lo cual conlleva a una operación más simple. Este
convertidor también proporciona una eficiencia energética mayor que otras
topologías como Buck-Boost, Buck etc.
Los elementos que conforman esta tipología son ya que el autor no lo plasma
en la fig. 12:
Inductor de 100 uH y 20 A
Un diodo Schottky modelo MBR6045WT
2 transistores MOSFET, modelo IRFZ44N
Para la conmutación de control PWM circuito (IC) integrado PWM TL5001
de Texas Instruments es capaz de operar a partir de muy baja tensión de
suministro, 3.6-40 V.
Condensador de salida de baja impedancia electrolítica 3300 uF
MOSFET (uno por transistor) para el acondicionamiento de señal Modelo
TPS2816 modelo de Texas Instruments
En la fig. 13 se muestra el circuito implementado en su versión final sus
medidas son 140 x 70 x 50 mm que se realizó en para alimentar una carga de 100
W. En la fig. 18 se muestra las capacidades de prueba a diferentes valores de
potencia de entrada.
Fig. 17. Convertidor Boost implementado para una aplicación de 100 W [42].
Fig. 18 Respuesta del convertidor a diferentes potencias de entrada [42].
Una aplicación reportada por Urbani et. al [48] describe un sistema
ensamblado capaz de generar 12 W a 9,5 V, para alimentar un reproductor portátil
de DVD durante 3 horas en uso continuo. En las pruebas realizadas se registraron
100 horas de uso sin mantenimiento alguno. Considerando que la salida de voltaje
de la celda varia de de 4.5 V bajo carga máxima, a 8.5 V sin carga y que se
requiere una alimentación de 17 V, se tiene como consecuencia un convertidor
elevador que aunque no es señalado en el documento por las especificaciones de
entrada y salida es posible deducir que se trata de la tipología Boost. El
convertidor DC-DC para esta aplicación opera con una tensión de la entrada de
2.2 a 12 V y la tensión de salida máxima es de 17.5 V [48].
En la figura 19 podemos observar en el inciso a) la esquematización de los
componentes así como su distribución en el inciso b) se ve el armado físico del
sistema completo y en la figura 20 el convertidor físicamente armado.
Fig. 19. a) Esquema de posición de los elementos que integran la aplicación y b)
vista física del armado completo [48].
Fig. 20. Armado físico del convertidor por deducción dado a la aplicación se puede
deducir que la tipología del circuito es un elevador o Boost [48]
Otros ejemplos de tipologías elevadoras propuestas en Profumo [49],
Blaabjerg [43], Schupbach [50], Lachichi [51] y Yalamanchili [52], son utilizadas a
la salida de una celda de combustible y la forma característica del circuito es
simple representada en la figura 21. Estos circuitos simples tienen un uso
extendido, y forman parte de otros circuitos más complejos, tales como los de tipo
resonante y de estructuras multifase y multinivel.
Fig. 21 Tipologías simples encontradas en [43, 49-52]
En la figura 21 es posible observar que es evidente que son convertidores
Boost por la posición de sus elementos pero con la diferencia de que en a)
encontramos solo una señal de control y en el b)tenemos dos señales de control,
de igual forma podemos deducir que el primer circuito es unidireccional y el
segundo es bidireccional.
Los convertidores elevadores tipo boost encontrados en la bibliografía,
normalmente requieren de una bobina de un alto valor, para limitar el rizado de
corriente en la entrada y capacitores altos valores el filtro de corrientes en la salida
y una capacidad limitada de manejo de energía así como una baja relación de
conversión [43, 51, 53]. Y por deducción podemos conectar dispositivos en
paralelo y obtener más potencial
1.7 Justificación
Las tecnologías electrónicas portátiles como las computadoras y teléfonos
celulares necesitan de una fuente de alimentación para recargar sus baterías, la
pérdida de tiempo que se desperdicia al mantenerlos conectados para que su pila
se cargue por completo han impulsado la necesidad de nuevos sistemas de
alimentación rápida.
En el mercado actual se distribuyen baterías de respaldo para mitigar los
efectos de la falta de carga de los dispositivos (por falta tiempo dado a la
naturaleza de las actividades del individuo, la falta de acceso a fuentes de
electricidad, falta de acceso a sistemas de distribución de electricidad en zonas
remotas o en casos de emergencias dadas a los remanentes en fenómenos
naturales), pero estos elementos de igual manera se tienen que conectar a la red
eléctrica para recuperar su carga y así servir de respaldo de energía cuando el
dispositivo portátil se encuentre descargado.
En una celda de combustible, la potencia es continua, siempre y cuando se
suministran el combustible y el oxígeno, similar al sistema de la gasolina-motor
que se usa para alimentar un coche. El motor se compra una vez (con el coche) y
la gasolina se repone cuando sea necesario para la continua operación. Lo mismo
sucede en sistemas de celdas de combustible, que se espera que algún día
proporcione energía a productos electrónicos portátiles, como computadoras
portátiles y teléfonos celulares.
Elementos como ampolletas de combustible pueden intercambiarse
rápidamente sin la necesidad de esperar para la recarga. Los usuarios podrían
llevar cartuchos de combustible de repuesto, no baterías adicionales para
extender el funcionamiento sin tener que detener su movilidad y detenerse a
conectar sus equipos. Las celdas de combustible, especialmente los tipos de baja
temperatura como las celdas de alcohol (DMFC, direct metanol fuel cells) y las
celdas de hidrógeno (PEMFC, proton exchange membrane fuel cells), son
potencialmente buenos candidatos para reemplazar las baterías como fuentes de
energía para la próxima generación de aplicaciones portátiles, gracias al alto
contenido de energía de sus combustibles.
1.8 Objetivo General
Elaborar un sistema acondicionador de potencia que se acople a una celda
de combustible, se conecte eléctricamente a sus terminales y regule la potencia
entregada de la celda para que a su salida brinde una potencia que pueda ser
utilizada como generador de energía de emergencia.
1.9. Objetivos específicos
Revisión del estado del arte de topologías de acondicionadores de potencia
reportados en trabajos relacionados a celdas de combustible.
Tomar de la revisión bibliográfica una tipología la cual se adapte con más
probabilidades de éxito a la aplicación de este trabajo de investigación.
Correr pruebas a celda de combustible para la obtención de parámetros de
entrada del convertidor
Simular la estrategia de control en la plataforma Matlab-Simulink de
MathWorks y PLECs.
Analizar los datos obtenidos para validar cada uno de los elementos del
circuito.
Construcción y validación del prototipo convertidor de voltaje de una celda
de combustible acoplada a una aplicación portátil.
1.10 Hipótesis
El acondicionador electrónico de potencia regulará la potencia de salida de
una celda de combustible y brindará al final del proceso una potencia regulada con
valores de corriente y voltaje apropiados para una aplicación en dispositivos
portátiles.
CAPITULO 2
2.1 Metodología
El convertidor Boost se compone de, una bobina L, Un Mosfet
representado en la figura como S1 y un diodo representado en la figura como S2
se observa que estos elementos están esquematizados como dos interruptores.
La posición en la que se encuentra cada uno de estos elementos convierte a este
arreglo en un convertidor elevador.
Fig. 22. Vista del convertidor Boos [47]
2.1.1 Elementos que integran el convertidor
2.1.1.1 Mosfet
El Mosfet es un transistor de efecto de campo, el cual está controlado por la
tensión en el encendido y en el apagado. En el mercado podemos encontrar los de
tipo P y N, generalmente en los convertidores se utilizan el tipo N [54], Fig. 23.
Fig 23. Mosfet representado esquemáticamente. [54]
Características del Mosfet
Control: Presenta control de encendido y apagado [55].
Estática: Fija la parte retroactiva en tensión y corriente Mosfet, así como el
voltaje de límite superior soportable en corte y la corriente máxima en conducción.
En el caso de un Mosfet, para una corriente de drenador Id y la tensión drenador
sumidero Vds positivas, su característica estática se muestra en la figura 24 [55].
Fig.24. Característica estática del Mosfet. Elaboración Propia
Dinámica: Determina el camino seguido en las conmutaciones, del
encendido al apagado y apagado y encendido y se describen en la figura 25 [55].
Fig.25. Circuito con representación de las capacidades parasitas [53]
Encendido de un Mosfet
En la figura 26 podemos observar las características de encendido Mosfet.
[56]
Fig. 26. Características de encendido Mosfet. [56]
En la figura 27 presentamos las características de apagado de Mosfet.
Fig. 27 Características de apagado del Mosfet. [57]
Perdidas del Mosfet
Las pérdidas en el Mosfet:
P en el Mosfet = Perdidas Estáticas + Perdidas Dinámicas (Conmutación)
Perdidas estáticas
Perdidas Estáticas = Perdidas de Conducción + Perdidas de Corte
Las pérdidas por conducción están formadas por instantáneas y valor medio
por lo tanto obtenemos las siguientes ecuaciones.
Instantáneas
(1)
Valor medio
(2)
Las pérdidas por lo general se descartan por su aportación despreciable
Perdidas dinámicas
(3)
Donde:
Eon es la energía disipada durante un encendido
Eoff es la energía disipada durante un apagado
Fcon es la frecuencia de conmutación
El aumento de las perdidas en el Mosfed están asociadas con el aumento
de la frecuencia de conmutación y en ocasiones es necesaria la instalación de un
disipador de calor [57].
2.1.1.2 Diodo
Está formado por el ánodo (A), y el cátodo (K) y al igual que el Mosfet se define
con sus 3 características
Control: El diodo es un elemento no controlado.
Estática. El diodo conduce si la corriente que pasa sobre él se dirige de ánodo a
cátodo y no conduce en de forma contraria tal como lo muestra la figura 28
Fig. 28 Característica estática del diodo. Elaboración propia
De acuerdo a la figura 29, el diodo no es reversible ni en tensión ni en
corriente y cumple lo siguiente:
En conducción IAK>0 y VAK 0V (0.8V 2V). En este caso se dice que el diodo
esta polarizado positivamente [58].
En corte: VAK <0 y IAK =0. Se dice que el diodo esta polarizado en
negativamente.
Fig. 29 Circuito equivalente de un diodo en conducción es decir polarizado
positivamente. Elaboración Propia
Una fuente de tensión VTO que varía entre 0.8 y 2V, en serie con una
resistencia de un valor de mΩ.
Dinámica.- Se representa en la figura 30:
Fig. 30 Característica dinámica
Encendido del diodo
El diodo conduce si la corriente que lo atraviesa esta dirigido de ánodo a
cátodo es decir polarizado en forma positiva. Sin embargo, dado que al principio no
existen portadores de carga en el diodo se produce una tensión que alcanza los
30V. Una vez que existen suficientes portadores como para que el diodo conduzca,
la tensión en sus bornes disminuye hasta el valor de la tensión directa VF [58].
Apagado del diodo
En T0 la corriente por el diodo va a pique. Cuando la corriente IF es nula en
T1 el diodo se llena de portadores de carga y empieza a circular una corriente
negativa con la extracción de dichas cargas. El valor máximo es la corriente de
recuperación inversa máxima, IRRM en T2, y depende de IF y del inicio como de
dIF/dt durante el modo OFF. Una vez termina la extracción de cargas el diodo se
corta. La corriente varía bruscamente hasta anularse y la tensión se hace negativa
hasta alcanzar un valor que depende del circuito exterior. El tiempo comprendido
entre T1 y T3 corresponde al tiempo de recuperación inversa TRR, el tiempo que
tarda en apagarse el diodo y las cargas extraídas corresponden a la QRR, carga de
recuperación inversa [56].
Pérdidas
P MOSFET=Pestáticas + Pdinámicas(conmutación)
Perdidas estáticas:
Pestáticas = Pconducción + Pcorte
Las pérdidas estáticas por conducción se calculan:
Usando la característica V-I del diodo polarizado en directa, en función de la
corriente IF obtenemos VF.
Sabiendo que en conducción se comporta como lo visto en el circuito
anterior.
(4)
Las pérdidas de corte son muy bajas y no se toman en cuenta
Las pérdidas de encendido se pueden considerar despreciables
Las pérdidas dinámicas en el diodo son:
(5)
Las pérdidas en el apagado se pueden calcular aproximadamente a partir de la
carga de recuperación inversa (QRR) y la tensión de inversa, VR a la que corta el
diodo impuesta por el circuito armado alrededor del diodo.
(6)
Las pérdidas en un diodo son considerables con el aumento de la frecuencia
de conmutación.
2.1.1.3 Inductor
La inductancia, es una medida de la oposición a un cambio de corriente de
un inductor que almacena energía en presencia de un campo magnético, y se
define como la relación entre el flujo magnético y la intensidad de corriente eléctrica
que circula por la bobina y el número de vueltas del devanado [59].
(7)
Donde:
L= Inductancia
= Flujo magnético
N= Numero de vueltas del devanado
I= Intensidad de corriente eléctrica
La inductancia depende de las características físicas y longitud del conductor.
La inductancia aumenta con el número de vueltas del conductor.
2.1.1.4 Condensador
Un condensador o capacitor es un dispositivo que almacena energía
sustentando un campo eléctrico. Está formado dos superficies conductoras, en
forma de láminas o placas, separadas dieléctricamente o por un vacío. Las placas,
sometidas a una diferencia de potencial, adquieren una determinada carga
eléctrica, positiva en una de ellas y negativa en la otra, siendo nula la variación de
carga total. Aunque desde el punto de vista físico un condensador no almacena
carga ni corriente eléctrica, sino simplemente energía mecánica latente [60].
Carga y descarga
Al conectar un capacitor en un circuito, la corriente circula por él y va
acumulando carga entre sus placas. Cuando el condensador se encuentra
totalmente cargado, deja de circular corriente por el circuito. Si se quita la fuente y
se coloca el condensador y la resistencia en paralelo, la carga empieza a fluir de
una de las placas del condensador a la otra a través de la resistencia, hasta que la
carga es nula en las dos placas. En este caso, la corriente circulará en sentido
contrario al que circulaba mientras el condensador se estaba cargando [60].
2.1.1.5 Driver o controlador del convertidor
Este elemento manda las señales de encendido y apagado al Mosfet y adecua
los disparos enviados por el sistema de control a las exigencias del sistema de
potencia en el que se sitúan los transistores e incorpora las siguientes funciones
[61]:
Amplificación de la señal de control a los valores de tensión y corriente
necesarios.
Aislamiento galvanizo entre el sistema de control y el de potencia. Esto lo
hace mediante un transformador de pulsos, opto-acoplador o fibra óptica.
Protecciones contra tensiones bajas de alimentación y cortocircuitos.
Su esquema funcional se puede observar en la figura 31
Fig. 31. Estructura del controlador. [62]
2.2 Operación del convertidor
2.2.1 PWM o Modulación por anchura del pulso
La Modulación por Ancho de Pulso enciende y apaga el Mosfet, para
obtener una tensión troceada a la salida a partir de la cual interesa percibir
únicamente el valor medio de dicha tensión [63].
Se comparara una señal triangular con una tensión de control que dará una
onda cuadrada indicando al Mosfet cuando debe encenderse y cuando apagarse
como veremos en la figura 32. La parte principal del PWM es el comparador que
compara 2 tipos de señales analógicas:
Una señal de continua que se encarga de conseguir el valor medio de
tensión a la salida esta tensión recibe el nombre de modulante (Vcon)
Una señal triangular que define la frecuencia de conmutación del Mosfet
De la comparación se consigue a la salida una señal de tipo Digital (F). Su
valor es alto si la modulante es mayor que la triangular. Y su valor es bajo en
caso contrario. Con esta señal se determinan los disparos accionados por el
driver y enviado al Mosfet. La modulante podrá obtener valores comprendidos
entre 0 y Vpt.
Fig. 32 Circuito PWM de implantación analógica
En la figura 32 la señal F indica el encendido y apagado del Mosfet, dando
lugar a 2 circuitos responsables de las ondas de salida del convertidor.
Mosfet en modo de conducción o ON Fig. 33
Figura 33. Circuito en modo de conduccion Elaboración propia a este periodo de
tiempo lo denominaremos TON.
Mosfet de no conducción o modo OFF en figura 34.
Fig. 34. Circuito en modo OFF[39].
A partir de estos dos circuitos y teniendo en cuenta la inductancia podremos
obtener las siguientes relaciones como se observa en la fig. 35
VL en Ton VL= VEnt (8)
VL en Toff VL= VEnt –Vsal (9)
Fig. 35 Tensión en la inductancia para Ton y Toff. Elaboración propia [39]
(10)
(11)
= (12)
(13)
Para obtener esta ecuación despejamos y obtenemos la del
comportamiento del convertidor la cual describe el funcionamiento el voltaje de
salida es igual al votaje de entrada entre la unidad menos el ciclo de trabajo.
(14)
2.2.2 Rizado de corriente en la inductancia
La técnica de control por PWM da como resultado una tensión en la
inductancia con dos valores distintos, uno en ton y otro en toff lo que provocara una
suave variación de la corriente durante estos intervalos al que lleva por nombre
rizado. Se puede demostrar fácilmente mediante la ecuación de la inductancia [64].
(15)
Donde:
= Tención en la inductancia
= Coeficiente de inducción
= Variación de la corriente
= Variación del tiempo
Durante ( es positivo ya que también es positiva) Si es positiva
y L es una constante (La aumenta con el tiempo).
Durante ( es negativo porque es mayor que ) si
es negativo y L es una contante (La disminuye con el tiempo)
En la figura 36 se nota el rizado de corriente.
Fig 36. Riso de corriente en inductor, señal de entrada contra de la salida y señal
PWM. Elaboración propia
En la Figura 36 podemos observar que mediante la técnica PWM Ton VL es
positiva y en Toff es negativa, viendo así la variación correspondiente a cada caso
denominado rizado de corriente.
2.2.3 Rizado de tensión en el condensador
En TON la corriente IL= Ie
En TOFF la corriente IL= Isal + Ic, esto es aplicando la teoría de los circuitos
que se ve en la Figura 37
Fig. 37. Corriente en IL visto desde análisis de circuitos. Elaboración propia
El valor medio de la corriente en un capacitor es 0 pero también sabemos
que esta tiene rizado ya que Isal es una corriente continua prácticamente perfecta.
En TON la corriente por el condensador será la misma pero de signo contrario que
la de salida, y en TOFF la corriente decrece ya que la tensión aumenta. Esto se
debe a que en TOFF el condensador se carga y por tanto aumenta su tensión, y en
TON el condensador se descarga. En la Figura 38 se ve el rizado tanto de la
corriente en la inductancia como de tensión en el condensador [65]:
Fig. 38. Rizado de corriente en la inductancia y voltaje en el condensador.
Elaboración propia
2.2.4 Efecto de las inductancias parásitas
Cuando se arma un convertidor boost se lleva a cabo utilizando cables,
conectores, pistas de cobre. Las conexiones van a introducir inductancias
parasitas. Durante las conmutaciones del Mosfet del convertidor, se somete a
dichas inductancias a fuertes derivadas de corriente lo que da lugar a
sobretensiones en los semiconductores.
En la Figura 39 se puede observar el convertidor conmutado básico, donde
se ha tenido en cuenta las inductancias parasitas que existen en cada tramo:
Fig. 39. Vista de las inductancias parasitas en el circuito convertidor Boost
En este convertidor la corriente solo puede ser positiva cuando el Mosfet
este conduciendo, la corriente se cierra por Lp1, Lk1 y Lp2. Posteriormente se
supone que entra a conducir el diodo y en esta situación el Mosfet vera la
siguiente tensión
Instantánea:
(16)
El valor de queda impuesto por el Mosfet. Actualmente existen
interruptores capaces de conmutar corrientes superiores a 300A en menos de
100ns, con lo que se obtiene una gran derivada de corriente con respecto del
tiempo . Se supone el uso de conductores para conectar el
convertidor con la alimentación y se sabe que aproximadamente por cada metro
de conductor se tiene una inductancia de 1μH. Si además se tuviese una malla de
longitud total de 20cm, la sobretensión que se obtiene en la inductancia total LT,
es:
(17)
Si suponemos una tensión de alimentación de 200V, el Mosfet vera la
siguiente sobretensión: Vk1=200-600=-400V, un valor igual al doble de lo que
debería soportar, ya que idealmente solo debería soportar la tensión de
alimentación.
Recogiendo lo anterior, se destaca:
El aumento de las inductancias parasitas aumenta la sobretensión
producida en los semiconductores apagados.
Para reducir el efecto de las inductancias parasitas se deben colocar todos
los elementos lo más cerca posible entre ellos.
Para reducir el efecto de las inductancias parasitas debidas a la conexión
del convertidor con la fuente de alimentación se colocan los denominados
condensadores de desacoplo, que deben colocarse lo más cerca posible de
la célula de conmutación y absorber la energía almacenada en las
inductancias Lp1 y Lp2. Esta conexión se observa en la Figura 40.
Fig. 40. Vista de los condensadores de desacoplo para mitigar los efectos de las
inductancias paracitas. Elaboracion propia
Del ejemplo anterior, si la longitud total para conectar la alimentación con el
convertidor es de 20cm, el condensador deberá absorber la energía de la
inductancia que produce la sobretensión de 600V.
(18)
Con una tensión de alimentación de 200V la tensión en el condensador de
desacoplo CDES será de 400V. Se imagina un caso en el que K1 deba conducir
300A, obviamente este es un valor de corriente demasiado grande; pero con este
valor se puede establecer un valor de capacidad suficiente para utilizarlo en
convertidores cuya potencia sea del orden de decenas de Kw. Con todo esto el
valor de las capacidades desacoplo será:
(19)
De la expresión anterior, se puede deducir que el valor del condensador de
desacoplo deberá ser mayor cuanto menor sea la tensión que este debe soportar.
Es decir que teniendo la misma tensión de alimentación su valor aumenta si
disminuye la sobretensión en las inductancias parasitas y se sitúa próximo a la
tensión de alimentación. Esta situación es poco probable, dado que el convertidor
se conecta a la alimentación a distancias mayores que 10cm, lo que aumenta el
valor de la inductancia parasita. Por el contrario, teniendo la misma sobretensión
su valor aumenta cuanto más cerca de dicha sobretensión se sitúe la tensión de
alimentación.
Por ejemplo, teniendo la misma sobretensión que antes 600V, y
aumentando la tensión de alimentación a 500V, el valor de la capacidad de
desacoplo será:
(20)
Normalmente los valores del condensador de desacoplo están
comprendidos entre 1μF y 5 μF. Aunque como se ha demostrado anteriormente es
suficiente con uno de aproximadamente 2 μF para convertidores de decenas de
KW.
2.3 Control del convertidor Boost
2.3.1Control PI
Este control se llevara a cabo de manera analógica con el integrado TL494 (espera de asesoría en la materia de convertidores en la UQroo (última unidad de la materia)
Capítulo 3
Experimentación
Material utilizado
1 Placa PCB de 10 cm de lago por 10 cm de ancho
½ Litro de Alcohol etílico convencional de venta en farmacias
½ Litro de cloruro férrico
1 Litro de agua
2 Contenedor de plástico necesariamente tienen que estar más grandes
que la placa PCB
1 Pieza de lija del número 500
1 Marcador permanente negro
1 Impresora Laser
1 Hoja tamaño carta de papel Fotográfico
1 Paquete pequeño de jabón en polvo
1 Fibra de limpieza convencional
1 Plancha de ropa convencional
1 Taladro
1 Juego de brocas para placas PCB
10 capacitores de poliéster de .01 micro faradios
3 capacitores electrolíticos de 2200, 180 y 4700 microfaradios de
preferencia que soporten más de 50 V
4 Pines de conexión
2 disipadores de calor
1 Inductor 60B154C (Soporta 10 aperes y 30 hasta 100 Khz)
1 Opto acoplador A3120
2 Resistencias de 10 y 330 Ω
1 Mosfet IRFIZ44N
1 Diodo B1645G
1 Cautín de punta, clavo, martillo y tijeras
1 Paquete de Estaño
1 Paquete de pasta para soldar
2 Fuentes de CD, Generador de funciones y Osciloscopio
1 paquete de algodón
Preparación de la Placa PCB
Después de terminar el diseño de la placa PCB en la computadora
procedemos a imprimirla en una impresora láser, en una hoja de papel
fotográfico tamaño carta, es recomendable que la impresión sea
configurada al máximo de calidad para que se obtenga una mayor cantidad
de tóner utilizado en la hoja de papel.
Tomamos la placa PCB y la lijamos donde se encuentra la parte metálica
de cobre hasta obtener un brillo uniforme
Procedemos a limpiar el área lijada con alcohol hasta eliminar las partículas
que pudieran quedar por el proceso de lijado siempre teniendo cuidado de
no tocar el área limpia con los dedos u otro agente que pudiera
comprometer la superficie.
Tomamos la impresión realizada del diseño y la cortamos hasta obtener el
tamaño de la placa PCB cuidando dejar en los bordes el espacio de 1
centímetro para doblar el papel y acoplarlo a la placa PCB.
Teniendo la hoja de impresión acoplada a la placa PCB procedemos a
planchar la superficie de la hoja de impresión con la plancha a unos 300
grados centígrados, durante 15 minutos, se debe planchar con movimientos
circulares.
Tomamos la placa PCB con la hoja de impresión que debe estar adherida a
la placa y la colocamos en un recipiente con agua y esperamos a que la
hoja de papel se humedezca y empiece a desprenderse con el tacto.
Eliminamos los con el tacto el residuo de papel impregnado hasta dejar
descubierto el diseño sobre la placa PCB.
Tomamos el marcador permanente y repintamos los espacios que se
desprendieron del diseño la cual deben ser mínimos.
Con el diseño transferido a la placa PCB completo, se procede a introducir
a este en un recipiente de plástico con cloruro férrico para eliminar de la
placa el espacio no recubierto con el diseño, (El cloruro férrico en el
recipiente tiene que estar en movimiento constate) este proceso puede
tardar 20 minutos.
Con la diseño a la vista en la placa PCB procedemos a retirarla del
recipiente y la enjuagamos, se puede observar el diseño pero aun
recubierto por el tóner y la tinta del marcador permanente por lo cual este
se debe limpiar utilizando un fibra de limpieza y jabón en polvo.
Perforado de la placa PCB
Con un clavo y martillo se procede a marcar los espacios donde se
realizara la perforación.
Seleccionamos la broca requerida y la colocamos en el taladro con su base
estacionaria (El tamaño de la broca varía según el elemento que se debe
colocar).
Estañado de la placa
Para mejorar la conducción y minimizar las perdidas, se aplica una capa de estaño
por todo el diseño en la placa.
Soldadura de componentes
En este paso se procede a colocar los elementos del circuito en la placa y
soldarlos con estaño.
Diseño de la placa de potencia
Vista en 3D de los elementos del circuito
Diseño de las pistas del circuito impreso
Vista de la PCB sin estañar, estañada y perforada
Vista de la placa PCB con los elementos
del circuito de potencia y la soldadura
Pruebas realizadas
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