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CARÁTULA
UNIVERSIDAD TÉCNICA PARTICULAR DE LOJA La Universidad Católica de Loja
ÁREA TÉCNICA
TÍTULO DE INGENIERO EN ELECTRÓNICA Y TELECOMUNICACIONES
Diseño de la etapa electrónica de un sistema de energía renovable basado en
un pico hidrogenerador CC de vórtice gravitacional.
TRABAJO DE TITULACIÓN.
AUTORES: Soto Olmedo, María Ulda
Quizhpe Palacios, Calos Leonardo
DIRECTOR: Castillo Calvas, Tuesman Daniel, Mgtr.
LOJA – ECUADOR
2018
Esta versión digital, ha sido acreditada bajo la licencia Creative Commons 4.0, CC BY-NY-SA: Reconocimiento-No comercial-Compartir igual; la cual permite copiar, distribuir y comunicar públicamente la obra, mientras se reconozca la autoría original, no se utilice con fines comerciales y se permiten obras derivadas, siempre que mantenga la misma licencia al ser divulgada. http://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/4.0/deed.es
2018
ii
APROBACIÓN DEL DIRECTOR DEL TRABAJO DE TITULACIÓN
Mgtr.
Tuesman Daniel Castillo Calvas.
DOCENTE DE LA TITULACIÓN
De mi consideración:
El presente trabajo de titulación: Diseño de la etapa electrónica de un sistema de energía
renovable basado en un pico hidrogenerador CC de vórtice gravitacional, realizado por
Quizhpe Palacios Carlos Leonardo y Soto Olmedo María Ulda, ha sido orientado y
revisado durante su ejecución, por cuanto se aprueba la presentación del mismo.
Loja, mayo de 2018
f) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
iii
DECLARACIÓN DE AUTORÍA Y CESIÓN DE DERECHOS
Nosotros Quizhpe Palacios Carlos Leonardo y Soto Olmedo María Ulda, declaramos ser
autores del presente trabajo de titulación: “Diseño de la etapa electrónica de un sistema de
energía renovable basado en un pico hidrogenerador CC de vórtice gravitacional”, de la
Titulación de Electrónica y Telecomunicaciones, siendo Tuesman Daniel Castillo Calvas
director del presente trabajo; y eximo expresamente a la Universidad Técnica Particular de
Loja y a sus representantes legales de posibles reclamos o acciones legales. Además, certifico
que las ideas, conceptos, procedimientos y resultados vertidos en el presente trabajo
investigativo, son de mi exclusiva responsabilidad.
Adicionalmente declaro conocer y aceptar la disposición del Art. 88 del Estatuto Orgánico de
la Universidad Técnica Particular de Loja que en su parte pertinente textualmente dice:
“Forman parte del patrimonio de la Universidad la propiedad intelectual de investigaciones,
trabajos científicos o técnicos y tesis de grado o trabajos de titulación que se realicen con el
apoyo financiero, académico o institucional (operativo) de la Universidad”.
f. .............................................................. f. ..............................................................
Autor: Quizhpe Palacios Carlos Leonardo Autor: Soto Olmedo María Ulda
Cédula: 1104763196 Cédula: 1105916645
iv
DEDICATORIA
A Dios por permitirme concluir con esta meta, que con su infinita bondad siempre me da
fuerzas y salud para seguir adelante.
A mis padres Carlos y Guadalupe, por sus consejos, apoyo y amor incondicional puedo ver
hoy alcanzada esta nueva meta, ellos han estado en cada momento de mi vida guiándome
tanto en mi formación personal como académica, por el orgullo que sienten por mí.
A mis hermanos José y Alan, con quienes he compartido grandes momentos en mi vida.
A mis tíos y primos, quien a pesar de la distancia siempre ha estado presente regalándome
sus consejos y apoyándome en todo momento, por depositar su confianza en mí.
A María mi compañera de tesis, por su dedicación, esfuerzo, paciencia y sobre todo por su
confianza para formar el grupo de trabajo.
A todos aquellos familiares y amigos, por estar ahí compartiendo tanto buenos como malos
momentos.
Carlos Leonardo A Dios por bendecirme con salud y guiarme para seguir adelante con cada meta que me
propongo.
A mis padres Ulda Olmedo y Francisco Soto y mi abuelita Herminia que, aunque ya no están
presentes físicamente entre nosotros, sé que espiritualmente desde el cielo me cuidan y me
acompañan en cada etapa de mi vida.
A mis hermanos Manuel, Mercy, Melania, Sandra y José por sus sacrificios y apoyo
incondicional para que hiciera realidad este logro profesional.
A mi tía Julia por ser como una segunda madre y haberme inculcado buenos valores. A Antonio por ser mi amigo, compañero, novio y brindarme su apoyo. A Carlos compañero de proyecto y amigo que compartió conocimientos y buenos momentos
en esta etapa estudiantil y sobre todo por su amistad sincera.
María Ulda
v
AGRADECIMIENTO
A Dios por permitirnos llegar hasta etapa de nuestras vidas y poder concluir con éxito nuestra
meta.
A nuestros padres y hermanos, por su apoyo y sacrificio que ha hecho para poder culminar
con éxito esta nueva meta.
A nuestro director de tesis, Mgtr. Tuesman Daniel Castillo Calvas quien, con su paciencia,
confianza, dedicación, experiencia y esfuerzo, supo guiarnos a lo largo del trabajo de
titulación.
A nuestros amigos y compañeros, que han compartido gratos momentos en esta formación
profesional.
Carlos y María
vi
ÍNDICE DE CONTENIDOS
CARÁTULA ............................................................................................................................................. i
APROBACIÓN DEL DIRECTOR DEL TRABAJO DE TITULACIÓN ............................................. ii
DECLARACIÓN DE AUTORÍA Y CESIÓN DE DERECHOS ........................................................ iii
DEDICATORIA ..................................................................................................................................... iv
AGRADECIMIENTO ............................................................................................................................. v
ÍNDICE DE FIGURAS .......................................................................................................................... ix
ÍNDICE DE TABLAS ............................................................................................................................ xi
RESUMEN ............................................................................................................................................. 1
ABSTRACT ........................................................................................................................................... 2
INTRODUCCIÓN .................................................................................................................................. 3
Objetivo General ............................................................................................................................... 6
Objetivos Específicos ....................................................................................................................... 6
CAPÍTULO I ........................................................................................................................................... 7
1.1 Introducción ........................................................................................................................... 8
1.2 Hidro generadores basados en vórtices gravitacionales ............................................... 8
1.3 Topologías de Interfaz Electrónica. ................................................................................... 9
CAPÍTULO II ....................................................................................................................................... 12
2.1 Introducción ......................................................................................................................... 13
2.2 Generadores ....................................................................................................................... 13
2.2.1 Generadores CC ............................................................................................................. 13
2.2.1.1 Características constructivas .................................................................................... 13
2.2.1.2 Principio de funcionamiento del generador de corriente continua ...................... 14
2.3 Convertidores CC/CA ........................................................................................................ 15
2.3.1 Diseño de convertidores ................................................................................................ 16
2.3.2 Funcionamiento de los convertidores CC/CA ............................................................ 17
2.3.3 Clasificación de los convertidores CC/CA .................................................................. 18
2.3.3.1 Inversor monofásico. Topología en puente completo ........................................... 19
2.3.3.2 Modulación Senoidal Por Ancho de Pulso (PWM) en Inversores Monofásicos 20
2.4 Convertidores CC/CC ........................................................................................................ 21
2.4.1 Convertidor Reductor de Tensión-Tensión (Buck) .................................................... 23
2.4.1.1 Generación del ciclo de trabajo ................................................................................ 25
2.4.2 Convertidor Elevador de Tensión-Tensión (Boost) ................................................... 26
vii
2.4.3 Convertidor Reductor/Elevador (Buck-Boost) ............................................................ 29
2.5 El acumulador eléctrico o Batería .................................................................................... 30
2.5.1 Tipos de Baterías ............................................................................................................ 30
2.5.1.1 Modelado matemático batería de Níquel-Cadmio y Níquel-hierro-híbrido ........ 31
2.5.2 Características Carga y Descarga de Baterías ......................................................... 32
2.6 Bus CC o Barra inteligente ................................................................................................ 33
2.7 Controlador Proporcional Integral (PI)............................................................................. 34
2.8 Filtro Pasa Bajo LC ............................................................................................................ 35
CAPÍTULO III ...................................................................................................................................... 37
3.1 Introducción ......................................................................................................................... 38
3.2 Diseño del sistema con salida CC ................................................................................... 38
3.3 Diseño del sistema con salida CA ................................................................................... 39
3.4 Descripción de los bloques en Simulink ......................................................................... 39
3.4.1 Generador CC ................................................................................................................. 39
3.4.2 Convertidor CC-CC Tipo Buck ..................................................................................... 40
3.4.3 Control del Convertidor CC-CC Tipo Buck ................................................................. 41
3.4.4 Convertidor CC-CC Tipo Boost .................................................................................... 42
3.4.5 Control del Convertidor CC-CC Tipo Buck ................................................................. 43
3.4.6 Carga y descarga de la Batería .................................................................................... 44
3.4.7 Carga fantasma .............................................................................................................. 46
3.4.8 Inversor CC-CA tipo IGBT ............................................................................................. 47
3.4.9 Regulador de voltaje para el inversor CC-CA ............................................................ 48
3.4.10 Filtro pasa bajas LC ....................................................................................................... 48
CAPÍTULO IV ...................................................................................................................................... 50
4.1 Introducción ......................................................................................................................... 51
4.2 Escenarios y configuración del sistema CC: .................................................................. 51
4.2.1 Resultados de la simulación realizada del sistema con salida en CC ................... 51
4.3 Escenarios y configuración del sistema CA: .................................................................. 53
4.3.1 Características de simulación del sistema CA con cargas R: ................................. 53
4.3.1.1 Resultados de la simulación realizada del sistema con salida en CA ............... 54
4.3.2 Características de simulación del sistema CA con cargas R, L y C: ...................... 56
4.3.2.1 Resultados de la simulación realizada del sistema con salida en CA ............... 57
4.3.3 Características de simulación del sistema CA con cargas no lineales RC: .......... 58
viii
4.3.3.1 Resultados de la simulación realizada del sistema con salida en CA con cargas
no lineales RC ................................................................................................................................. 58
4.3.4 Características de simulación del sistema CA con cargas no lineales RL: ........... 59
4.3.4.1 Resultados de la simulación realizada del sistema con salida en CA con cargas
no lineales RL ................................................................................................................................. 59
4.4 Presupuesto ........................................................................................................................ 60
CONCLUCIONES ........................................................................................................................... 61
RECOMENDACIONES.................................................................................................................. 62
BIBLIOGRAFÍA ............................................................................................................................... 63
ANEXOS .............................................................................................................................................. 66
ANEXO A ......................................................................................................................................... 67
ANEXO B ......................................................................................................................................... 68
ANEXO C ......................................................................................................................................... 69
ANEXO D ......................................................................................................................................... 70
ANEXO E ......................................................................................................................................... 71
ix
ÍNDICE DE FIGURAS
Figura 1. Porcentajes de perdida de potencia en cada etapa de transmisión. ........................... 3
Figura 2. Componentes del generador de corriente continua. .................................................... 14
Figura 3. Tensión en las escobillas para una bobina de dos delgas. ........................................ 15
Figura 4. Transistor junto con un diodo en antiparalelo. .............................................................. 17
Figura 5. Onda sinusoidal de corriente y tensión. ......................................................................... 17
Figura 6. Inversor de modo conmutado de una pata. ................................................................... 18
Figura 7. Esquema inversor monofásico topología en puente. .................................................. 19
Figura 8. Señal de salida inversor monofásica topología en puente. ........................................ 20
Figura 9. Formas de onda modulación PWM ................................................................................ 21
Figura 10. Diagrama de bloques convertidor CC/CC. .................................................................. 22
Figura 11. Relación de entrada y salida de un convertidor CC/CC. ........................................... 22
Figura 12. (a) circuito básico convertidor Buck; (b) formas de onda de salida del voltaje y
corriente de carga. ............................................................................................................................. 23
Figura 13. Resistencia efectiva de entrada en función del ciclo de trabajo. ............................. 25
Figura 14. Comparación de una señal referencia con una señal portadora. ............................ 26
Figura 15. Arreglo para operación de subida. ................................................................................ 27
Figura 16. Arreglo para transferencia de energía. ........................................................................ 29
Figura 17. Formas de onda de un convertidor reductor/elevador. ............................................. 29
Figura 18. Bloque de batería MATLAB-SIMULINK. ...................................................................... 31
Figura 19. Circuito equivalente del bloque de baterías. ............................................................... 31
Figura 20.Características típicas de descarga............................................................................... 32
Figura 21. Características típicas de Carga baterías NiMH, NiCD ............................................. 33
Figura 22.Carga y descarga exponencial de baterías .................................................................. 33
Figura 23. Señales de control PI. ..................................................................................................... 34
Figura 24.Circuito filtro pasa bajo. ................................................................................................... 36
Figura 25. Diseño propuesto con salidas en CC. .......................................................................... 38
Figura 24. Diseño propuesto con salidas en CC. .......................................................................... 39
Figura 27. Bloque del generador CC en MATLAB-SIMULINK. ................................................... 40
Figura 28. Bloque del Convertidor CC-CC tipo Buck en MATLAB-SIMULINK. ........................ 40
Figura 29. Configuración del bloque del Convertidor CC-CC tipo Buck en MATLAB-
SIMULINK. ........................................................................................................................................... 41
Figura 30. Configuración del bloque de control CC-CC tipo Buck en MATLAB-SIMULINK. .. 41
Figura 31. Configuración del bloque de control PI para el convertidor CC-CC tipo Buck en
MATLAB-SIMULINK. ......................................................................................................................... 42
Figura 32. Bloque del convertidor CC-CC tipo Boost en MATLAB-SIMULINK. ....................... 42
Figura 33. Configuración del bloque del convertidor CC-CC tipo Boost en MATLAB-
SIMULINK. ........................................................................................................................................... 43
Figura 34. Configuración del bloque para el convertidor CC-CC tipo Buck en MATLAB-
SIMULINK. ........................................................................................................................................... 43
Figura 35. Configuración del bloque de control PI para el convertidor CC-CC tipo Boost en
MATLAB-SIMULINK. ......................................................................................................................... 44
Figura 36. Bloque de carga y descarga de batería en MATLAB-SIMULINK. ........................... 44
x
Figura 37. Algoritmo de control de carga y descarga de batería. ............................................... 45
Figura 38. Bloque de control de carga y descarga de batería en MATLAB- SIMULINK ......... 46
Figura 39. Bloque de carga fantasma en MATLAB- SIMULINK ................................................. 46
Figura 40. Bloque de control de carga fantasma en MATLAB- SIMULINK ............................... 47
Figura 41. Bloque del inversor CC-CA en MATLAB- SIMULINK ................................................ 47
Figura 42. Bloque del regulador de voltaje para el convertidor CC-CA en MATLAB-
SIMULINK ............................................................................................................................................ 48
Figura 43. Bloque de control del regulador de voltaje para el convertidor CC-CA en
MATLAB- SIMULINK .......................................................................................................................... 48
Figura 44. Bloque y circuito del filtro pasa bajo LC en MATLAB- SIMULINK ........................... 49
Figura 45. Señal variable de las revoluciones por minuto (RPM). ............................................. 51
Figura 46. Señal de estado de carga de la batería sistema CC. ............................................... 52
Figura 47. Señal de voltaje y corriente en batería. ....................................................................... 52
Figura 48. Señales de salida del sistema CC. ............................................................................... 53
Figura 49. Señal variable de las revoluciones por minuto (RPM). ............................................. 54
Figura 50. Señal de estado de carga de la batería sistema CA. ................................................ 54
Figura 51. Señales de voltaje y corriente en batería. ................................................................... 55
Figura 52. Señales de salida del sistema CA con cargas R. ....................................................... 55
Figura 53. Armónicos y porcentaje THD del sistema CA con cargas R. ................................... 56
Figura 54. Señales de salida del sistema CA con cargas R, L y C. ........................................... 57
Figura 55. Armónicos y el porcentaje THD del sistema AC con cargas R, L y C. ................... 57
Figura 56. Señales de salida del sistema CA con cargas no lineales RC. ................................ 58
Figura 57. Armónicos y el porcentaje THD del sistema AC con cargas no lineales RC. ........ 59
Figura 58. Señales de salida del sistema CA con cargas no lineales RL. ................................ 59
Figura 59. Armónicos y el porcentaje THD del sistema AC con cargas no lineales RL. ......... 60
xi
ÍNDICE DE TABLAS
Tabla 1. Costos de materiales para futura implementación. ....................................................... 60
1
RESUMEN
En el presente trabajo de titulación se realiza dos diseños para la etapa electrónica de potencia
de un sistema de energía renovable basado en un pico hidrogenerador CC de vórtice
gravitacional. Los dos diseños son sistemas aislados de la red convencional, el primer diseño
consta de un convertidor tipo Buck, un convertidor tipo Buck-Boost, una batería, un bloque de
cargas fantasma, un Bus CC, y un sistema de control basado en controladores PI para la
carga y descarga de la batería, proporcionando un voltaje constante de 24 VCC a la salida del
sistema. El segundo diseño consta de un convertidor tipo Boost, un convertidor tipo Buck-
Boost, una batería, un bloque de cargas fantasma, un Bus CC, un sistema de control basado
en controladores PI y un inversor que convierte la corriente continua a alterna y provee a su
salida una señal senoidal de 120 VCA a 60 Hz.
El funcionamiento y evaluación de desempeño se ha verificado usando el software
Matlab/Simulink.
PALABRAS CLAVES: Pico hidrogenerador, vórtice gravitacional, generador en corriente
continua, calidad de energía.
2
ABSTRACT
In the present degree work, two designs are made for the electronic power stage of a
renewable energy system based on a hydroelectric peak DC of gravitational vortex. The two
designs are isolated systems of the conventional network, the first design consists of a Buck
type converter, a Buck-Boost type converter, a battery, a phantom loads block, a DC bus, and
a control system based on PI controllers for charging and discharging the battery, a constant
voltage of 24 VDC at the output of the system. The second design consists of a Boost-type
converter, a Buck-Boost-type converter, a battery, a phantom load block, a DC bus, a control
system based on PI controllers and an inverter that converts direct current to alternating current
and provides its output a sine wave signal of 120 VAC at 60 Hz.
The performance and the performance evaluation has been tested using the Matlab / Simulink
software
KEYWORDS: Pico hydrogenerator, gravitational vortex, generator in direct current, power
quality.
3
INTRODUCCIÓN
El desarrollo humano depende en gran medida de un suministro constante y seguro de
energía. Los sistemas de energía primaria y el envejecimiento de la infraestructura de las
redes actuales de distribución son cada vez más desafiantes para la seguridad, la fiabilidad,
la calidad del servicio eléctrico y prestación del mismo en zonas rurales. Así mismo, la
evolución del caudal energético y la constante protección del ambiente requieren nuevos
sistemas de generación energética en función de los costos, demanda de los consumidores y
reducción de la huella de carbono en la producción. El agotamiento de los recursos y los
desequilibrios ambientales, son factores que obligan a acometer una nueva política energética
para no utilizar las energías tradicionales provenientes de los combustibles fósiles y tratar de
consumir energías procedentes de fuentes alternativas; las energías renovables, son la única
solución sostenible que permitirá resolver los grandes retos del futuro (GIL, 2013) (VICENTE,
2009).
La Pico Hidrogeneración de energía eléctrica basada en vórtice gravitacional, es una opción
de energía limpia y sustentable, con un máximo aprovechamiento de los recursos hídricos. El
sistema aprovecha la energía cinética existente en un vórtice inducido artificialmente, y la
transmite a un módulo de generación de energía eléctrica (Loaiza, 2016).
El Consejo Nacional de Electricidad (CONELEC), clasifica a las centrales hidroeléctricas
según su capacidad de generación, caracterizando a un pico hidrogenerador con potencias
de hasta 5 kW (Electricidad, 2006). En un proyecto de este tipo es necesario considerar las
pérdidas en cada etapa del sistema. La potencia del agua (o potencia hidráulica) siempre será
mayor que la potencia mecánica y eléctrica. Esto se debe a que, dado que la potencia se
transmite de una forma a otra, se pierde algo en cada etapa, como se ilustra en la Figura 1
(Maher & Smith, 2001).
Figura 1. Porcentajes de perdida de potencia en cada etapa de transmisión. Fuente: Los Autores. Elaboración: Los Autores.
4
La mayor pérdida generalmente ocurre cuando la potencia en el chorro de agua se convierte
en energía mecánica rotativa al golpear el corredor de la turbina. En un esquema bien
diseñado y construido, aproximadamente un tercio (30%) de la potencia del chorro se perderá
aquí.
Las pérdidas pueden ser mucho mayores en los esquemas de calidad más pobres. Otro 20%
a 30% se perderá en el generador cuando la potencia mecánica se convierte en electricidad.
Algo de potencia también se pierde en la compuerta. El agua en contacto con las paredes de
la tubería se ralentiza por la fricción. Esta pérdida de potencia se expresa en metros de pérdida
de carga. Su valor suele ser de hasta 20% -30% del total de la cabeza. Antes de tomar en
cuenta las pérdidas en la tubería, la caída se conoce como la cabeza bruta y, una vez que se
han restado las pérdidas, se denomina cabeza neta.
En la etapa de electrónica de potencia tendríamos pérdidas de hasta un 10% debido al
calentamiento y disipación de calor en los transistores.
En la Universidad Técnica Particular de Loja se implementó un hidrogenerador con vórtice
gravitacional, bajo la dirección del docente Jorge Luis Jaramillo en el trabajo de
GENERACIÓN ELÉCTRICA Y MONITOREO DE UN SISTEMA DE HIDROGENERACIÓN
BASADA EN VÓRTICE GRAVITACIONAL, el cual posee un generador de corriente alterna
(CA) asíncrono, monofásico de fase dividida, generando una potencia de transmisión de 278
W y con un rendimiento óptimo en voltajes CA entre 7.7 y 28 V (Ortega & Romero, 2014).
El generador es una máquina eléctrica que convierte la energía mecánica en energía eléctrica,
de acuerdo con la clasificación general de las maquinas eléctricas rotativas los generadores
eléctricos pueden ser de CC o CA (sincrónicos y asincrónicos).
En el presente trabajo se diseñará la etapa de electrónica de potencia del sistema de
generación eléctrica basado en un pico hidrogenerador de vórtice gravitacional. El diseño
constara de una etapa de amplificación, conversión y control. En la etapa de amplificación el
voltaje de salida del generador CC se incrementará a 220VCC, seguido de un Bus CC que
nos proporcionará un voltaje constante. En la etapa de conversión se diseñará un convertidor
de potencia que permita la conversión de la corriente continua a corriente alterna y proveer a
su salida una señal senoidal a la frecuencia y magnitud deseada, es el denominado
convertidor o inversor continua-alterna (CC/CA). La salida puede ser monofásica, bifásica o
trifásica dependiendo de las características y potencia de la carga. En la etapa de control se
proporcionará una adecuada distribución de potencia dependiendo de la demanda de cargas
5
solicitada, teniendo así un sistema de pico hidrogeneración basada en vórtice gravitacional
autónomo y capaz de garantizar calidad y eficiencia energética.
6
Objetivo General
Diseñar la etapa electrónica de un sistema de generación de energía basado en un pico
generador CC de velocidad variable y obtener en la salida una señal de voltaje, corriente y
frecuencia estable con ayuda de algoritmos de control, para dotar de energía eléctrica una
micro-red de distribución con parámetros de calidad.
Objetivos Específicos
Analizar las características eléctricas de un pico hidrogenerador basado en vórtice
gravitacional con generador de CC.
Modelar el sistema de conversión de energía.
Diseñar un sistema de control para mantener la calidad de energía dentro de
parámetros normados en la salida del sistema.
Simular computacionalmente el sistema completo para analizar el comportamiento del
diseño propuesto.
7
CAPÍTULO I
REVISIÓN DE LITERATURA
8
1.1 Introducción
En esta sección se hará referencia a diferentes trabajos de investigaciones relacionados a
sistemas de generación eléctrica con recursos renovables, considerando las diferentes
topologías estudiadas y teniendo un mayor enfoque en la parte electrónica para un futuro
diseño del sistema de Pico-Hidrogenerador basado en vórtice gravitacional con calidad de
energía.
1.2 Hidro generadores basados en vórtices gravitacionales
Los sistemas hidroeléctricos basados en vórtice gravitacional no necesitan grandes presas o
depósitos, el agua de un río se desvía parcialmente a través de un canal de entrada a un
tanque de cardumen, y luego se alimenta a través de una tubería forzada a una elevación, la
turbina de vórtice de agua gravitacional es una turbina que puede operar con un rendimiento
similar al de las turbinas hidroeléctricas convencionales utilizadas para la producción de
energía renovable. El vórtice gravitatorio es un hito en el desarrollo hidrodinámico porque en
el pasado se necesitaba energía para airear el agua, pero ahora esta técnica utiliza un proceso
de aireación de agua para producir energía eléctrica, el agua pasa a través de una entrada
grande y recta a través del canal y luego pasa tangencialmente a una cuenca, que forma un
poderoso vórtice; se hace un orificio de salida en el fondo de la cuenca a través del cual el
vórtice encuentra su salida.(S. Dhakal et al., 2015)
Mulligan y Casserly realizaron su proyecto de investigación sobre "Design and optimization of
a water vortex hydropower plant" llevado a cabo en el Institute of Technology, Sligo in Civil
Engineering. Esta investigación concluye que la fuerza óptima del vórtice se produce dentro
del rango del diámetro del orificio al diámetro del tanque (d/D) del 14-18% para sitios de altura
baja y alta, respectivamente. Por lo tanto, para la cuenca cilíndrica, para maximizar la
producción de potencia, el rango del diámetro del orificio a las relaciones de diámetro de la
cuenca se encuentra dentro del 14-18%. (Mulligan & Hull, 2010)
En el trabajo de titulación “Diseño, construcción e implementación de un bloque de generación
eléctrica y un módulo de monitoreo para un sistema de hidro generación basado en vórtice
gravitacional” se diseñó y construyó un sistema de generación de energía utilizando un
generador eléctrico tipo asíncrono monofásico de fase dividida (GAM-FD) capaz de generar
voltaje entre 7.7 a 28 V con potencia máxima de 106 W a la salida del sistema. Seguidamente,
se diseñó un módulo de monitoreo constituido por cinco módulos: el módulo de adquisición
de datos, módulo de procesamiento, módulo de comunicación, módulo de visualización, y,
módulo de registro de data (Ortega & Romero, 2014).
9
En la publicación de conferencia “Technical and economic prospects for the site
implementation of a gravitational water vortex power plant in Nepal” los autores se centraron
en la integración de un nuevo diseño innovador de un sistema microhidroeléctrico. Aportan
los diseños teóricos para las obras civiles de la central eléctrica de vórtice de agua
gravitacional de cabeza baja integrada en estas estructuras y se estiman los costos de
construcción. Un sistema escalable de 1.6kW también está diseñado e integrado en un canal
de irrigación existente para la evaluación del desempeño técnico y valida el estudio económico
teórico. El estudio concluye que el rendimiento de la turbina es principalmente adecuado para
la electrificación rural y para integrar de manera rentable, las obras civiles y los costos de
instalación deberían reducirse en gran medida (R. Dhakal et al., 2016).
1.3 Topologías de Interfaz Electrónica.
Las diferentes topologías básicamente varían en consideración al método a utilizar, los
métodos pueden ser sistemas con conexión a la red pública y sistemas aislados o autónomos,
el proyecto se centra en los diferentes tipos de topologías para un sistema de red aislada. En
los sistemas de generación eléctrica con recursos renovables aislada de la red pública su
topología varia en relación con el generador y este define los bloques de convertidores e
inversores, existen dos tipos comunes de configuración de redes CC y CA (Dominguez, et al.,
2016).
A pesar de que las redes de CA son la opción más común debido a que los sistemas de
distribución emplean redes de CA, esta opción presenta algunos inconvenientes como la
necesidad de sincronización de voltaje y control en la parte de potencia reactiva de los
generadores. Estas redes presentan una topología general basada por cuatro etapas, la
primer etapa consta de un rectificador CA/CC que a su salida nos ofrece una señal voltaje en
CC, en la segunda etapa se tiene un convertidor CC/CC el cual cumple la función de elevar o
bajar el voltaje según su configuración, en la tercera etapa se tiene un Bus DC el cual mantiene
un voltaje con variación mínima o constante y en la cuarta etapa se tiene el inversor de CC/CA
el cual proporciona una salida de voltaje con frecuencia constante.
En las redes de CC una de sus principales ventajas reside en una mayor eficiencia del sistema
ya que se necesitan menos convertidores de potencia de interfaz. Una topología general de
redes CC está diseñada en tres etapas, en la primera etapa se encuentra el convertidor
CC/CC que cumple la función de elevar o bajar el voltaje según su configuración, la segunda
etapa consta de un Bus CC el cual se encarga de mantener un voltaje con variaciones
10
mínimas es decir constante, en la tercera etapa se tiene el inversor CC/CA el cual proporciona
una señal de voltaje con frecuencia constante.
Un sistema de control para lograr la regulación de potencia activa en un modelo detallado de
una Planta de Energía Virtual a pequeña escala (VPP). En el diseño de la topología propuesta
utilizaron diferentes esquemas de convertidores de potencia CC/CC para un subsistema
fotovoltaico solar y un subsistema de almacenamiento de energía y un convertidor de potencia
CA/CC para un subsistema con generador de turbina eólica, y un bus de CC para la
integración de los diferentes generadores distribuidos y el sistema de almacenamiento.
Posteriormente, mediante una estrategia del Sistema de Gestión de Energía que controla un
inversor trifásico de tres patas con una técnica de modulación adecuada, se realiza el control
de la potencia activa exigida (Dominguez et al., 2016).
En el trabajo de investigación “CC / CC converters for Photovoltaic ApplicationsModeling and
Simulations” estudian los aspectos técnicos y físicos para optimizar la gestión energética en
un sistema de recursos múltiples dedicado a aplicaciones de áreas rurales. El sistema de
fuente múltiple se basa en paneles fotovoltaicos, turbina eólica, energía solar fotovoltaica y
baterías de almacenamiento. Se enfocan en el modelado y simulación de la parte compuesta
por una fuente fotovoltaica con convertidor CC/CC y un Bus CC, para lo cual utilizan la
herramienta de Matlab/Simulink. El desarrollo del diseño consiste en un generador
fotovoltaico, un Boost chopper y un Bus CC usando la estrategia MMPT punto de máxima
potencia basado en el algoritmo " Perturbe and Observe (P & 0) controlado por una señal
modulada de ancho de pulso (Sabiri et al., 2014).
El trabajo “Grid Interconnection of Renewable Energy Sources at the Distribution Level With
Power-Quality Improvement Features” presenta una estrategia de control novedosa utilizando
convertidores electrónicos de potencia. El inversor está controlado para funcionar como un
dispositivo multifunción incorporando la funcionalidad activa del filtro de potencia. La
combinación de las múltiples funciones del inversor de interfaz de red y la carga no
balanceada lineal / no lineal trifásica de 4 hilos en el punto de acoplamiento común aparece
como carga lineal equilibrada para la red. Este nuevo concepto de control lo demuestran con
extensos estudios de simulación de MATLAB / Simulink y lo validan a través de resultados
experimentales de laboratorio basados en procesadores de señales digitales (Singh et al.,
2011).
El artículo “Sistema Autónomo de Generación de Energía Renovable” se describe la
instalación realizada en la ETSEIB, en Barcelona, de una fuente renovable híbrida (solar y
11
eólica) de energía eléctrica aislada de la red eléctrica. También se presenta el laboratorio de
energías renovables montado parte en la azotea de la Esc. Tec. Sup. De Ingeniería Industrial
de Barcelona y parte en las instalaciones del GREP, en la misma escuela. El banco de
pruebas consiste en un grupo fotovoltaico (de 2,65kW), un aerogenerador (de 750W), un
banco de baterías (de 105Ah a 48V), la electrónica de conversión y control, y un sistema
avanzado de monitorización.
El modelado y el control de un sistema de generación de microvientos, basado en un
generador síncrono de imanes permanentes de flujo axial (PMSG), para microrredes de CC
aisladas de baja potencia. El sistema consiste en una turbina de micro-viento que incluye una
cola enrollable, un PMSG, un rectificador de diodos trifásico y un convertidor buck conectado
a un banco de baterías y una carga. Además, incorpora un sistema de control para extraer la
potencia máxima de salida de la turbina eólica utilizando la mínima cantidad posible de
sensores. El sistema se simula en Matlab / Simulink para analizar la respuesta dinámica
(Hartman & Lorimer, 2012).
Debido a la característica intermitente de las fuentes de energía renovables, se necesitan
unidades de almacenamiento de energía para equilibrar la generación y el consumo de
electricidad. El circuito de interfaz es un componente importante del sistema de
almacenamiento de energía. El documento “Analysis, modeling and control of a non-isolated
four-port cc-cc converter for independent photovoltaic power generation system” presenta un
convertidor cc-cc de cuatro puertos no aislado para el sistema de generación de energía
fotovoltaica independiente. El convert de dc-dc de cuatro puertos propuesto se usa para
conectar cuatro puertos de potencia. Estos son el puerto de las células fotovoltaicas (PV), el
puerto de la batería, el puerto del supercondensador y el puerto de carga por separado. La
topología de circuito se deriva al integrar varios convertidores Boost paralelos. Los principios
de operación y el rendimiento se analizan en detalle. El modelo matemático del convertidor
propuesto está construido. El convertidor dc-dc de cuatro puertos puede realizar un flujo
bidireccional de energía entre PV, medio de almacenamiento de energía y carga. También
puede realizar la tensión del bus de CC estable y garantizar el equilibrio de la potencia del
sistema. Finalmente, se dan resultados de simulación para verificar la validez y la viabilidad
del convertidor dc-dc de cuatro puertos no aislado en el sistema de generación de energía
fotovoltaica independiente (Yang et al., 2017).
12
CAPÍTULO II
DESCRIPCIÓN Y MODELADO MATEMÁTICO COMPONENTES DEL SISTEMA AISLADO
13
2.1 Introducción
En el presente capitulo se describe el principio de funcionamiento de los generadores de DC
y de los diferentes tipos de circuitos electrónicos de potencia, puesto que para un
acondicionamiento de la energía eléctrica se requiere convertirla de una forma a otra, y las
características de conmutación de los dispositivos de potencia permiten tal conversión. Un
convertidor se puede considerar como una matriz de conmutación en la cual uno o más
conmutadores se conectan a una fuente de potencia para obtener el voltaje y corriente
deseados.
2.2 Generadores
En los sistemas de hidro generación, un generador eléctrico, esta conceptualizado como una
maquina rotativa que se puede acoplar directa o indirectamente al eje de la turbina hidráulica,
el generador eléctrico es un dispositivo que convierte la energía mecánica en energía
eléctrica. El funcionamiento de un generador eléctrico se basa en los principios de inducción
magnética de Lentz y Faraday. Según la clasificación de máquinas eléctricas rotativas los
generadores eléctricos pueden ser de CC o CA (sincrónicos y asincrónicos) (Ortega &
Romero, 2014).
2.2.1 Generadores CC
Las máquinas de corriente continua (CC) son reversibles, es decir, la misma máquina puede
funcionar como motor o como generador. Los generadores de corriente continua (CC) tienen
una similitud con los generadores de corriente alterna (CA) en que las corrientes y tensiones
que tienen dentro son de CA teniendo a su salida un conmutador que convierte las tensiones
internas en CA a tensiones en los terminales en CC. A los generadores de CC se los conoce
también como dínamos (Juela, 2017).
2.2.1.1 Características constructivas
Esta máquina está constituida principalmente por un rotor y un estator. El estator está
formando de un núcleo macizo. Mediante los polos en los que se encuentran los bobinados
de campo, se pueden distribuir de manera uniforme el flujo magnético en el entrehierro. En la
manera en que se conecta el campo con la armadura, se distinguen los bobinados en serio y
paralelo (shunt) (Juela, 2017).
14
En los bobinados de campo en serie se tiene que están formados por mínimas vueltas de
alambre de gran calibre por donde circulará toda la corriente de armadura, mientras que en
los bobinados de campo en paralelo consta de muchas vueltas de alambre de pequeño calibre
por donde circula una pequeña corriente.
Los dispositivos que transmiten la corriente continua entre el rotor y el estator son las
escobillas que están conectadas eléctricamente al rotor mediante delgas.
El rotor por su parte se encuentra formado de un núcleo de fierro laminado para no permitir
que existan perdidas debido a corrientes parasitas. La armadura del rotor se encuentra
formada por bobinas ubicadas en las ranuras del rotor alrededor del núcleo. Las terminales
de las bobinas se conectan a las delgas para formar el colector, donde haciendo contacto con
las escobillas permiten la entrada o salida de corriente al bobinado de armadura. (Juela, 2017)
Figura 2. Componentes del generador de corriente continua. Fuente:(Juela, 2017) Elaboración: :(Juela, 2017)
2.2.1.2 Principio de funcionamiento del generador de corriente continua
Para obtener la forma de onda de tensión rectificado continuo a la salida, es necesario un
sistema de conmutador en el que se pueda conectar la carga eléctrica a la tensión inducida ℯ
para un intervalo de 𝜃 ∊ [0, 𝜋] y también al del inverso de la tensión −ℯ para 𝜃 ∊ [𝜋, 2𝜋].
En el conmutador la tensión de la carga se lo obtiene en las escobillas mediante las delgas
que se encuentran conectadas al rotor. Teniendo que la tensión que se tendrá en los
terminales de las escobillas será:
15
𝐸 = 𝑒 𝑝𝑎𝑟𝑎 𝜃 ∊ [0, 𝜋] (1)
𝐸 = −𝑒 𝑝𝑎𝑟𝑎 𝜃 ∊ [𝜋, 2𝜋] (2)
Figura 3. Tensión en las escobillas para una bobina de dos delgas. Fuente:(Juela, 2017) Elaboración: :(Juela, 2017)
Al aumentar el número de bobinas, así como el número de delgas en las terminales de las
escobillas se podría conseguir una tensión prácticamente continua.
2.3 Convertidores CC/CA
Las energías alternativas suelen producir corriente continua mientras que las cargas que se
utilizan en la industria y viviendas son de corriente alterna, por lo que es necesario un
convertidor de potencia que permita la conversión de la corriente continua a corriente alterna
y proveer a su salida una señal senoidal a la frecuencia y magnitud deseada, es el
denominado convertidor o inversor continua-alterna (CC/CA).
El inversor o convertidor CC/CA consta de una etapa de potencia realizada con transistores
(IGBT, MOSFET), que trocean la corriente continua alternándola y creando una forma de
salida cuasi senoidal. La salida puede ser monofásica o trifásica dependiendo de las
características y potencia de la carga (Martinez et al., 2009).
16
2.3.1 Diseño de convertidores
En el diseño de cualquier convertidor electrónico deben tomarse en cuenta algunos aspectos
característicos de la configuración o tecnología a utilizar. Los elementos que componen
cualquier convertidor de potencia, a efectos de diseño, son (Sales, J, Seguí, & Orts, 2011):
Los interruptores controlados de potencia.
Elementos pasivos.
Circuitos de control.
El interruptor controlado de potencia (polo de potencia) es el elemento base de un convertidor
de potencia estático. Los interruptores de potencia, en el caso de corrientes alternas, deben
ser capaces de conducir una intensidad bidireccional cuando están cerrados y bloquear una
tensión bidireccional cuando están abiertos. Lo cual implica que deben ser capaces de
cerrarse, independientemente de la polaridad de la tensión aplicada en sus extremos y el
sentido de la corriente después de producirse el cierre, y de abrirse independientemente del
sentido de la corriente y la polaridad de la tensión antes de la apertura. El desarrollo de la
microelectrónica en la producción de dispositivos semiconductores ha proporcionado una gran
variedad de interruptores electrónicos como tiristores, GTO, BJT, MOSFET, IGBT, entre otros
(Sales et al., 2011).
En los inversores actuales se utilizan normalmente los siguientes dispositivos:
MOSFET de potencia. Se utiliza cuando la tensión de continua es de bajo valor (inferior
a 200V), debido a que la resistencia en conducción entre los terminales de potencia
es de bajo valor óhmico y las pérdidas en conducción son bajas.
IGBT. Se utiliza cuando la tensión del bus de continua es de elevado valor (superior a
300V), debido a que la caída de tensión entre los terminales de potencia es constante
e inferior a los 2,5V y las pérdidas en conducción son independientes de la tensión del
bus de continua.
Sin embargo, por sí solos no cumplen las condiciones antes indicadas para corrientes
alternas, bidireccionales en corriente y unidireccionales en tensión, por lo que es necesario,
integrar un transistor junto con un diodo en anti paralelo, como se lo indica en la figura
siguiente:
17
Figura 4. Transistor junto con un diodo en antiparalelo. Fuente:(Sales et al., 2011) Elaboración: :(Sales et al., 2011)
Actualmente los fabricantes ofrecen parejas de IBGT con sus respectivos diodos
(semipuentes), también seis parejas IGBT-diodo, con protecciones de tensión e intensidad,
activación del disparo desde señales TTL, en los llamados " módulos de potencia inteligentes
(IPM) " muy utilizados en las etapas de potencia como en inversores.
2.3.2 Funcionamiento de los convertidores CC/CA
El objetivo de un convertidor de potencia CC/CC es obtener una tensión de salida senoidal, a
una frecuencia dada, partiendo de una tensión de continua (bus de continua). El
funcionamiento consiste en trocear la tensión de continua de una forma predeterminada, por
lo que se hace necesario la utilización de filtros pasivos para conformar una tensión de salida
senoidal.
En el caso de un inversor monofásico con una carga R-L a la salida, la corriente va retrasada
respecto de la tensión, tal como se observa en la Figura 5.
Figura 5. Onda sinusoidal de corriente y tensión. Fuente:(Sales et al., 2011) Elaboración: :(Sales et al., 2011)
18
Según los cambios de polaridad de la tensión y la corriente a la salida del inversor se
distinguen cuatro intervalos (Sales et al., 2011):
Intervalo 1: la tensión y la corriente son ambas positivas, por lo que la potencia
instantánea es positiva y el convertidor está trabajando en el primer cuadrante, como
inversor. La energía fluye de la etapa de continua hacia la etapa de alterna a la salida
del inversor.
Intervalo 2: la tensión es negativa y la corriente es positiva por lo que la potencia
instantánea es negativa y el convertidor se encuentra trabajando en el segundo
cuadrante, como rectificador. La energía fluye de la etapa de alterna hacia la etapa de
continua.
Intervalo 3: la tensión y la corriente son ambas negativas, pero la potencia instantánea
es positiva. El convertidor está trabajando en el tercer cuadrante como inversor y la
energía fluye de la etapa de continua hacia la etapa de alterna a la salida del inversor.
Intervalo 4: la tensión es positiva mientras que la corriente retrasada es aún negativa
por lo que la potencia instantánea es de signo negativo. El convertidor está trabajando
en el cuarto cuadrante, como rectificador. La energía fluye de la etapa de alterna hacia
la etapa de continua.
Todas las topologías de inversores de CC/CA se deducen del convertidor de una pata que se
observa en la Figura 6.
Figura 6. Inversor de modo conmutado de una pata. Fuente: (Mohan, Undeland, & Robbin, 2009) Elaboración: (Mohan, Undeland, & Robbin, 2009)
2.3.3 Clasificación de los convertidores CC/CA
Los convertidores o inversores (CC/CA) se clasifican según diversos parámetros:
Según el tipo de alimentación se puede encontrar (Sales et al., 2011):
19
Inversor VSI (Voltage Supply Inverter), donde se parte de una fuente de tensión
continúa para alimentar el inversor.
Inversor CSI (Current Supply Inverter), donde se parte de una fuente de corriente
continua para alimentar el inversor.
Según el tipo de carga que se pretende alimentar, se puede encontrar:
Inversores Monofásicos. Se utilizan en potencias bajas (hasta 5 KW).
Inversores Trifásicos a 3 y 4 hilos. Se utilizan en potencias altas (a partir de 5 KW).
2.3.3.1 Inversor monofásico. Topología en puente completo
En el caso de tener un inversor de onda cuadrada en topología puente completo (Full- Bridge),
cuyo esquema eléctrico es el siguiente:
Figura 7. Esquema inversor monofásico topología en puente. Fuente: (Sales et al., 2011). Elaboración: (Sales et al., 2011).
Se denomina “rama” al tipo de conexión de los interruptores 𝑆1 y 𝑆2 que conmutan
alternativamente, por lo que nunca están en circuito cerrado simultáneamente, por lo tanto en
este tipo de topología existen dos ramas (Rama-1: 𝑆1 𝑆2 y Rama-2: 𝑆3 𝑆4).
El funcionamiento de este convertidor consiste en conmutar, siguiendo una secuencia
determinada, los cuatro interruptores controlados 𝑆1, 𝑆2, 𝑆3, 𝑆4. Las posibles conmutaciones
que se puede establecer son las siguientes:
𝑆1/ 𝑆4 = “ON” y 𝑆2/𝑆3 = “OFF”. Aplicando a la carga una tensión de valor 𝑉𝐴0 = +𝑉𝑑,
durante un intervalo de tiempo igual a medio periodo
20
𝑆1/ 𝑆4 = “OFF” y 𝑆2/𝑆3 = “ON”. Aplicando a la carga una tensión de valor 𝑉𝐴0 = −𝑉𝑑 ,
durante un intervalo de tiempo igual a medio periodo.
La señal de salida que se obtiene en la carga es una señal alternada de valor máximo +𝑉𝑑 y
valor mínimo −𝑉𝑑, cuya representación gráfica es:
Figura 8. Señal de salida inversor monofásica topología en puente. Fuente: (Sales et al., 2011). Elaboración: (Sales et al., 2011).
Como en el caso anterior, los diodos 𝐷1, 𝐷2, 𝐷3 𝑦 𝐷4 actúan como diodos de libre circulación
(diodos volantes) cuando la carga tiene una parte de componente inductiva, evitando la
aparición de sobretensiones en los interruptores controlados.
2.3.3.2 Modulación Senoidal Por Ancho de Pulso (PWM) en Inversores
Monofásicos
La modulación PWM es una técnica que consiste en la generación de pulsos a una frecuencia
determinada y hacer variar el ciclo de trabajo de los mismos. Para el caso de convertidores
CC/CA, se obtiene dicha forma de onda mediante la comprobación de una señal triangular de
frecuencia fija con una señal moduladora; dicha señal moduladora aporta la información de la
referencia a conseguir como se muestra en la Figura 9.
Si se filtra la tensión PWM, se obtendría un valor medio proporcional a la de referencia u onda
moduladora ya que el ancho del pulso de la salida es proporcional a la referencia y para este
tipo de forma de onda (cuadrada y de amplitud constante) el valor medio depende solo del
ciclo de trabajo: este es el principio de la modulación de ancho de pulso y del funcionamiento
de los convertidores CC/CA conmutados por PWM.
21
Figura 9. Formas de onda modulación PWM Fuente: (Salazar, 2012). Elaboración: (Salazar, 2012).
Para obtener una forma de onda senoidal basta con ampliar la forma de onda resultante de la
comparación de una onda triangular con una senoidal y filtrar adecuadamente. En inversores
de potencia, se aprovecha la señal resultante de dicha comparación para excitar los
transistores que forman la topología, de forma que en los instantes en que la señal resultante
de la comparación está en estado alto, los interruptores 𝑆1 y 𝑆2 se cierran, y cuando esta es
negativa, los interruptores se encuentran en estado de corte.
Los valores de frecuencias y de las amplitudes se las señales normalizadas que intervienen;
se definen la modulación de amplitud como la relación de amplitudes de la señal senoidal y
de la triangular (moduladora y portadora) (Salazar, 2012):
𝑚𝑎 =𝑈𝑚
𝑈𝐶 (3)
Se define también la modulación de frecuencia como la relación entre las frecuencias de la
señal triangular y la señal senoidal:
𝑚𝑓 =𝑓𝑐
𝑓𝑚 (4)
2.4 Convertidores CC/CC
En muchas aplicaciones industriales se requiere convertir una fuente de CC de voltaje fijo en
una fuente de CC de voltaje variable. Un convertidor CC/CC convierte directamente la CC a
22
CC y se conoce simplemente como un convertidor CC. Un convertidor CC se puede considerar
como equivalente de CC a un transformador de CC con una relación de vueltas continuas
variables. Al igual que un transformador, se puede utilizar para reducir o elevar una fuente de
voltaje de CC. (Hart, 2015)
Figura 10. Diagrama de bloques convertidor CC/CC. Fuente: (Hart, 2015). Elaboración: (Hart, 2015).
Los convertidores CC/CC proporcional un tipo de control de aceleración uniforme, alta
eficiencia y rápida respuesta dinámica. Se los utiliza en reguladores de voltaje de CC y
también se utiliza junto con un inductor para generar corriente de CC, sobre todo para el
inversor de fuente de corriente. Los convertidores CC/CC son parte integral de la conversión
de energía en el área en evolución de tecnología de energías renovables.
Tanto los voltajes de entrada como de salida de un convertidor CC/CC son de CC. Este tipo
de convertidor puede producir un voltaje de CC de salida fijo o variable a partir de un voltaje
de CC fijo o variable. Idealmente, el voltaje de salida y la corriente de entrada deben ser CC
pura, no obstante, el voltaje de salida y la corriente de entrada de un convertidor CC/CC
práctico contienen armónicos o rizos se muestra en la Figura 11. El convertidor hala corriente
de la fuente de CC sólo cuando el convertidor conecta la carga con la fuente de suministro y
la corriente de entrada es discontinua. (Hart, 2015; PIQUÉ, 2011)
Figura 11. Relación de entrada y salida de un convertidor CC/CC. Fuente: (PIQUÉ, 2011). Elaboración: (PIQUÉ, 2011).
23
2.4.1 Convertidor Reductor de Tensión-Tensión (Buck)
Como implica su nombre, un convertidor reductor produce una tensión de salida más baja que
la tensión de entrada. En lo conceptual, el circuito básico de la Figura 12a constituye un
convertidor reductor para una carga puramente resistiva. Con la que se puede explicar el
principio de operación. Cuando el interruptor SW, llamado interruptor periódico, se cierra
durante un tiempo t1, aparece el voltaje de entrada Vs a través de la carga. Si el interruptor
permanece abierto durante un tiempo t2, el voltaje a través de la carga es cero. Las formas de
onda del voltaje de salida y la corriente de carga también se ven en la Figura 12b (Hart, 2015).
Figura 12. (a) circuito básico convertidor Buck; (b) formas de onda de salida del voltaje y corriente de carga. Fuente: (Hart, 2015) Elaboración: (Hart, 2015).
La implementación del interruptor de ese convertidor puede ser realizada usando:
transistor de unión bipolar de potencia (BJT)
transistor de efecto de campo de metal óxido semiconductor, de potencia (MOSFET)
tiristores de disparo en compuerta (GTO)
transistor bipolar de compuerta aislada (IGBT).
Los dispositivos prácticos tienen una caída finita de voltaje, que va de 0.5 a 2 V, y para
simplificar no tendremos en cuenta las caídas de voltaje de esos dispositivos semiconductores
de potencia (Hart, 2015).
El voltaje promedio de salida se define con:
𝑉𝑎 =1
𝑇∫ 𝑣0𝑑𝑡 =
𝑡1
𝑇𝑉𝑠 =
𝑡1
0
𝑓𝑡1𝑉𝑠 = 𝑘𝑉𝑠 (5)
y la corriente promedio de carga es
𝐼𝑎 =𝑉𝑎
𝑅=
𝑘𝑉𝑠
𝑅 (6)
24
donde:
T es el periodo de conmutación;
𝑘 = 𝑡1
𝑇 es el ciclo de trabajo del interruptor;
f es la frecuencia de conmutación.
El valor 𝑟𝑚𝑠 del voltaje de salida se determina con
𝑉0 = (1
𝑇∫ 𝑣0
2𝑑𝑡𝑘𝑇
0
)
12⁄
= √𝑘𝑉𝑠 (7)
Suponiendo que el convertidor no tiene pérdidas, la potencia de su entrada es igual que la
de su salida, y es
𝑃𝑖 =1
𝑇∫ 𝑣0𝑖𝑑𝑡 =
1
𝑇∫
𝑣02
𝑅
𝑘𝑇
0
𝑘𝑇
0
𝑑𝑡 = 𝑘𝑉𝑠
2
𝑅
(8)
La resistencia efectiva de entrada, vista desde la fuente es
𝑅𝑖 =𝑉𝑠
𝐼𝑎=
𝑉𝑠
𝑘𝑉𝑠 𝑅⁄=
𝑅
𝑘 (9)
que indica que el convertidor hace que la resistencia de entrada 𝑅𝑖 sea una resistencia variable
igual a 𝑅 𝑘⁄ . La variación de la resistencia normalizada de entrada en función del ciclo de
trabajo se ve en la Figura 13.
El ciclo de trabajo 𝑘 se puede variar desde 0 a 1, variando 𝑡1, 𝑇 o f . En consecuencia, el
voltaje de salida 𝑉0 se puede variar de 0 a 𝑉𝑠 controlando 𝑘, y el flujo de potencia se puede
controlar.
25
Figura 13. Resistencia efectiva de entrada en función del ciclo de trabajo. Fuente: (Hart, 2015) Elaboración: (Hart, 2015).
1. Operación a frecuencia constante: la frecuencia del convertidor o de conmutación, f (o el
periodo de conmutación 1) se mantiene constante, y se varía el tiempo 𝑡1 de encendido. El
ancho del pulso se hace variar, y esta clase de control se conoce como control de modulación
por ancho de pulso (PWM).
2. Operación a frecuencia variable: La frecuencia de conmutación o de conmutación f se
hace variar. Se mantiene constante ya sea el tiempo de encendido 𝑡1 o el tiempo de apagado
𝑡2. A esto se le llama modulación por frecuencia. Se debe variar la frecuencia en un amplio
margen para obtener todo el intervalo de voltajes de salida. Este tipo de control generaría
armónicas a frecuencias impredecibles, y sería difícil el diseño de su filtro.
2.4.1.1 Generación del ciclo de trabajo
El ciclo de trabajo 𝑘 se puede generar comparando una señal de referencia 𝑣𝑟 de cd, con una
señal portadora en diente de sierra 𝑣𝑐𝑟. Esto se ve en la Figura 14, donde 𝑉𝑟 es el valor pico
de 𝑣𝑟 y 𝑉𝑐𝑟 es el valor pico de 𝑣𝑐𝑟. La señal de referencia 𝑣𝑟 se caracteriza por
𝑣𝑟 =𝑉𝑟
𝑇𝑡 (10)
que debe ser igual a la señal portadora 𝑣𝑐𝑟 = 𝑉𝑐𝑟 = 𝑘𝑡. Esto es,
𝑉𝑐𝑟 =𝑉𝑟
𝑇𝑘𝑡 (11)
que determina el ciclo de trabajo 𝑘 como
26
𝑘 =𝑉𝑐𝑟
𝑉𝑟= 𝑀 (12)
en la que 𝑀 se llama índice de modulación. Al variar la señal de la portadora 𝑣𝑐𝑟 desde 0 hasta
𝑣𝑐𝑟 se puede variar el ciclo de trabajo desde 0 hasta l.
El algoritmo para generar la señal de disparo para la compuerta es el siguiente:
1. Generar una forma de onda triangular de periodo 𝑇 como señal de referencia 𝑣𝑟 y una
señal portadora 𝑣𝑐𝑟.
2. Comparar estas señales con un comparador para generar la diferencia 𝑣𝑐 − 𝑣𝑐𝑟 y
entonces un limitador preciso para obtener un pulso de onda cuadrada para la
compuerta, de ancho 𝑘𝑇, que se debe aplicar al dispositivo de conmutación a través
de un circuito aislador.
3. Toda variación en 𝑉𝑒𝑟 es lineal respecto al ciclo de trabajo 𝑘.
Figura 14. Comparación de una señal referencia con una señal portadora. Fuente: (Hart, 2015) Elaboración: (Hart, 2015).
2.4.2 Convertidor Elevador de Tensión-Tensión (Boost)
El convertidor elevador de tensión-tensión (Boost) es un circuito el cual está constituido por
un diodo y un IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor), permite elevar la tensión de salida
respecto a la tensión de entrada con relación al ciclo de conmutación del IGBT, o ciclo de
trabajo (𝑘).
Cuando el interruptor SW se cierra durante el tiempo t1, la corriente en el inductor se eleva y
la energía se almacena en el inductor L. Si el interruptor se abre durante un tiempo t2, la
energía almacenada en el inductor se transfiere a la carga a través del diodo D1 y la corriente
del inductor cae. Si se supone un flujo de corriente continua, la forma de onda de la corriente
de el inductor se muestra en la Figura 15b.
27
Cuando el convertidor se enciende, el voltaje a través del inductor es (Hart, 2015):
𝑣𝐿 = 𝐿𝑑𝑖
𝑑𝑡 (13)
Y este da la corriente de rizo pico a pico en el inductor como
∆𝐼 = 𝐿𝑉𝑠
𝐿𝑡1 (14)
El voltaje de salida promedio es
𝑣𝑜 = 𝑉𝑠 + 𝐿∆𝐼
𝑡2= 𝑉𝑠 (1 +
𝑡1
𝑡2) = 𝑉𝑠
1
1 − 𝑘 (15)
Si se conecta un capacitor grande 𝐶𝐿 a través de la carga como se muestra con las líneas de
rayas en la Figura 15a, el voltaje de salida es continuo y 𝑣𝑜 se convierte en el valor promedio
𝑉𝑎. Por la ecuación (la última) podemos notar que el voltaje a través de la carga se puede
elevar en ciclo de trabajo k y voltaje de salida mínimo es 𝑉𝑠 cuando 𝑘 = 0. Sin embargo, el
convertidor no se puede encender de manera continua de modo que 𝑘 = 1. Para valores de 𝑘
que tienden a la unidad, el voltaje de salida llega a ser muy grande y es muy sensible a los
cambios de 𝑘 como se muestra en la Figura 15c.
Figura 15. Arreglo para operación de subida. Fuente: (Hart, 2015). Elaboración: (Hart, 2015).
Este principio se puede aplicar a la transferencia de energía de una fuente de voltaje a otra
como se muestra en la Figura 16a. Los circuitos equivalentes de los modos de operación
aparecen en la Figura 16b y las formas de ondas de la corriente en la Figura 16c. La corriente
del inductor en el modo 1 está dada por (Hart, 2015):
28
𝑣𝑠 = 𝐿𝑑𝑖1
𝑑𝑡
(16)
Y se expresa como
𝑖1(𝑡) =𝑉𝑠
𝐿𝑡 + 𝐼1
(17)
Donde 𝐼1 es la corriente inicial para el modo 1. Durante el modo 1, la corriente debe subir y la
condición necesaria es,
𝑑𝑖1
𝑑𝑡> 0 𝑜 𝑉𝑠 > 0
(18)
La corriente para el modo 2 está dada por
𝑣𝑠 = 𝐿𝑑𝑖2
𝑑𝑡
(19)
Y se despeja como
𝑖2(𝑡) =𝑉𝑠 − 𝐸
𝐿𝑡 + 𝐼2
(20)
Donde 𝐼2 es la corriente inicial para el modo 2. Para un sistema estable, la corriente debe caer
la condición es,
𝑑𝑖2
𝑑𝑡< 0 𝑜 𝑉𝑠 < 0 (21)
Si esta condición no se satisface, la corriente en el inductor continúa subiendo y se presenta
una situación inestable. Por consiguiente, las condiciones para la transformación de potencia
controlable son
0 < 𝑉𝑠 < 𝐸 (22)
La ecuación (ultima) indica que el voltaje de la fuente 𝑉𝑠 debe ser menor que el voltaje 𝐸 para
transmitir la transferencia de potencia de un fuente fija o variable a un voltaje fijo de CC.
29
Figura 16. Arreglo para transferencia de energía. Fuente: (Hart, 2015). Elaboración: (Hart, 2015).
2.4.3 Convertidor Reductor/Elevador (Buck-Boost)
La principal aplicación de un convertidor reductor/elevador es en fuentes de energía CC
reguladas, donde puede preferirse una salida de polaridad negativa respecto de la terminal
común del voltaje de entrada, y donde la tensión de salida puede ser más alto o más bajo que
la tensión de entrada. Un convertidor buck-boost se obtiene por medio de la conexión en
cascada de los dos convertidores básicos: el convertidor reductor y el convertidor elevador
(Pozo & Jiménez, 2005).
Figura 17. Formas de onda de un convertidor reductor/elevador. Fuente: (Pozo & Jiménez, 2005) Elaboración: (Pozo & Jiménez, 2005)
30
En estado permanente, la relación de conversión de voltaje de salida a voltaje de entrada es
el producto de las relaciones de conversión de los dos convertidores en cascada (si los
interruptores en ambos convertidores tienen la misma relación de trabajo):
𝑉0
𝑉𝑑= 𝑘
1
1 − 𝑘 (23)
Esto permite que el voltaje de salida sea mayor o menor que el voltaje de entrada, con base
en la relación de trabajo 𝑘.
La conexión en cascada de los convertidores reductor y elevador se combina en el convertidor
de buck-boost individual. Cuando el interruptor está cerrado, la entrada alimenta energía al
inductor y el diodo está en polarización inversa. Cuando el interruptor está abierto, la energía
acumulada en el inductor se transfiere a la salida. Durante este intervalo, el inductor no
suministra energía. En el análisis de estado permanente que se presenta aquí, se supone que
el condensador de salida es muy grande, lo que resulta en un voltaje de salida constante
𝑣0(𝑡) ≃ 𝑉0 (Pozo & Jiménez, 2005).
2.5 El acumulador eléctrico o Batería
Las fuentes renovables de energía eléctrica se caracterizan por su variabilidad y aleatoriedad
lo que afecta en sentido negativo el aprovechamiento de estas. Para evitar los inconvenientes
se dispone de la introducción en el sistema de acumuladores eléctrico (baterías). Una batería
es un dispositivo electroquímico que almacena energía eléctrica en forma de enlaces
químicos. Las celdas están conectadas en configuraciones serie/paralelo, para proporcionar
los niveles de voltajes, intensidad y capacidad de batería deseada.
El sistema se convierte en una fuente eléctrica independiente de las condiciones de radiación
solar, viento existente y fallos de la red pública.
El sistema tendrá una autonomía de servicio eléctrico durante periodos prolongados de
inactividad de los paneles solares, aerogenerador o red pública, usando la energía
almacenada durante los momentos de generación eléctrica de las fuentes.
2.5.1 Tipos de Baterías
El tipo más usado es la batería de plomo-ácido con electrolito líquido, seguido del acumulador
de plomo-ácido con electrolito gelificado (acumulador sellado) y el acumulador de níquel-
cadmio.
Para la simulación del almacenamiento de energía en este trabajo se usa el bloque “Battery”
disponible en Simscape Power Systems de MATLAB-SIMULINK.
31
Figura 18. Bloque de batería MATLAB-SIMULINK. Fuente: (Mathworks, 2017) Elaboración: (Mathworks, 2017)
El bloque de baterías implementa un modelo dinámico genérico parametrizado para
representar los tipos más populares de baterías recargables.(Mathworks, 2017)
En la siguiente figura se muestra el circuito equivalente del bloque de baterías.
Figura 19. Circuito equivalente del bloque de baterías. Fuente: (Mathworks, 2017) Elaboración: (Mathworks, 2017)
2.5.1.1 Modelado matemático batería de Níquel-Cadmio y Níquel-hierro-híbrido
Descarga (𝑖∗ > 0)
𝑓1(𝑖𝑡, 𝑖 ∗, 𝑖, 𝐸𝑥𝑝) = 𝐸0 − 𝐾 ∙ 𝑄
𝑄 − 𝑖𝑡 ∙ 𝑖 ∗ −𝐾 ∙
𝑄
𝑄 − 𝑖𝑡∙ 𝑖𝑡 + 𝐿𝑎𝑝𝑙𝑎𝑐𝑒−1 (
𝐸𝑥𝑝(𝑠)
𝑆𝑒𝑙 (𝑠)∙ 0) (24)
Carga (𝑖∗ < 0)
𝑓2(𝑖𝑡, 𝑖 ∗, 𝑖, 𝐸𝑥𝑝) = 𝐸0 − 𝐾 ∙ 𝑄
|𝑖𝑡| + 0.1 ∙ 𝑄 ∙ 𝑖 ∗ −𝐾 ∙
𝑄
𝑄 − 𝑖𝑡∙ 𝑖𝑡 + 𝐿𝑎𝑝𝑙𝑎𝑐𝑒−1 (
𝐸𝑥𝑝(𝑠)
𝑆𝑒𝑙 (𝑠)∙
1
𝑠) (25)
En las ecuaciones:
𝐸𝐵𝑎𝑡𝑡 es el voltaje no lineal, en V.
𝐸0 es el voltaje constante, en V.
𝐸𝑥𝑝(𝑠), es la zona dinámica exponencial, en V.
32
𝑆𝑒𝑙(𝑠), representa el modo de la batería, es decir. 𝑆𝑒𝑙(𝑠) = 0 durante la descarga,
𝑆𝑒𝑙(𝑠) = 1 durante la carga.
- 𝑘 es la constante de polarización, en 𝐴ℎ−1, o resistencia de polarización en Ohms.
- 𝑖∗ es la corriente dinámica a baja frecuencia, en A.
- 𝑖 es la corriente de la batería, en A.
- 𝑖𝑡 es la capacidad extraída, en 𝐴ℎ.
- 𝑄 es la capacidad máxima de la batería, en 𝐴ℎ.
- 𝐴 es el voltaje exponencial, en V.
- 𝐵 es la capacidad exponencial, en 𝐴ℎ−1.
2.5.2 Características Carga y Descarga de Baterías
Los parámetros del circuito equivalente se pueden modificar para representar un tipo de
batería en particular, basándose en sus características de descarga. Una curva de descarga
típica consta de tres secciones.
Figura 20.Características típicas de descarga Fuente: (Mathworks, 2017) Elaboración: (Mathworks, 2017)
La primera sección representa el decremento exponencial de voltaje cuando la batería está
cargada. La caída de voltaje depende del tipo de batería. La segunda sección muestra la carga
que puede ser extraída hasta que el voltaje sea menor que el voltaje nominal. Finalmente, la
tercera sección representa la batería descargada totalmente, cuando el voltaje cae
rápidamente.
Cuando la corriente de la batería es negativa, la batería se recarga siguiendo una
característica de carga.
33
Figura 21. Características típicas de Carga baterías NiMH, NiCD Fuente: (Mathworks, 2017) Elaboración: (Mathworks, 2017)
Los parámetros del modelo se derivan de las características de descarga y se asume que son
las mismas para el proceso de carga.
La función de transferencia Exp(s) representa el fenómeno de histéresis para los tipos de
baterías mencionados en párrafos anteriores durante los ciclos de carga y descarga. El voltaje
incrementa exponencialmente cuando la batería está cargándose, independientemente del
estado de carga. Cuando la batería está descargándose, el voltaje decrece exponencialmente
inmediatamente.
Figura 22.Carga y descarga exponencial de baterías Fuente: (Mathworks, 2017) Elaboración: (Mathworks, 2017)
2.6 Bus CC o Barra inteligente
Debido a que el voltaje en el lado CD del sistema adquiere rizado por defecto de la
conmutación presente en el convertidor, el capacitor CD se introduce para reducir la magnitud
y mantener un CD estable. Estos capacitores se encargan de almacenar energía, lo que
permite el control sobre el flujo de potencia. También proporcional un camino de baja
inductancia para la corriente de apagado.
34
2.7 Controlador Proporcional Integral (PI)
El controlador PI (proporcional-integral) ideal tiene la siguiente función de
transferencia (Marín, 2005):
𝑢(𝑠′)
𝑒(𝑠′)= 𝐾𝑐 [1 +
1
𝑇𝑖𝑠′] =
𝐾𝑐(𝑇𝑖𝑠′ + 1)
𝑇𝑖𝑠′=
𝐾𝑐𝑠′ +𝐾𝑐
𝑇𝑖⁄
𝑠′
(26)
Esta función de transferencia puede ser expresada en términos de la ganancia proporcional y
de la ganancia integral como se hace normalmente en algunos controladores comerciales. La
función de transferencia para el controlador PI queda expresada de la siguiente manera:
𝑢(𝑠′)
𝑒(𝑠′)= 𝐾𝑐 [1 +
1
𝑇𝑖𝑠′] = 𝐾𝑝 +
𝐾𝑖
𝑠′ (27)
Donde 𝐾𝑝 y 𝑇𝑖 son parámetros que se pueden modificar según las necesidades del sistema.
Si Ti es grande la pendiente de la rampa, correspondiente al efecto integral será pequeña y,
su efecto será atenuado, y viceversa. Respuesta temporal de un regulador PI (Guzmán, 2015).
Figura 23. Señales de control PI. Fuente:(Guzmán, 2015) Elaboración: (Guzmán, 2015)
Por lo tanto, la respuesta de un regulador PI será la suma de las respuestas debidas a un
control proporcional P, que será instantánea a detección de la señal de error, y con un cierto
retardo entrará en acción el control integral I, que será el encargado de anular totalmente la
señal de error.
En los sistemas CC y CA propuestos para las etapas de regulación de voltaje en el Buck CC,
Boost CC, carga y descarga de la batería y control en la carga fantasma se hace uso del
controlador PI, a continuación, se muestran las ecuaciones para cada etapa:
35
La etapa de regulación en el Buck CC del sistema propuesto CC se completa con el
controlador proporcional y el error entre el voltaje de referencia (𝑉𝐵𝑢𝑠 𝑟𝑒𝑓 y el voltaje
medido en el Bus CC 𝑉𝐵𝑢𝑠.
𝑉𝐵𝑢𝑐𝑘 = 𝑘𝑝(𝑉𝐵𝑢𝑠 𝑟𝑒𝑓 − 𝑉𝐵𝑢𝑠) (28)
La etapa de regulación en el Boost CC del sistema propuesto AC se completa con el
controlador proporcional y el error entre el voltaje de referencia (𝑉𝐵𝑢𝑠 𝑟𝑒𝑓 y el voltaje
medido en el Bus CC 𝑉𝐵𝑢𝑠.
𝑉𝐵𝑜𝑜𝑠𝑡 = 𝑘𝑝(𝑉𝐵𝑢𝑠 𝑟𝑒𝑓 − 𝑉𝐵𝑢𝑠) (29)
El voltaje para la carga de la batería se regula con el controlador proporcional y el
error entre el voltaje del generador 𝑉𝑔𝑒𝑛 y el voltaje de referencia 𝑉𝑔𝑒𝑛 𝑟𝑒𝑓.
𝑉𝐵𝑎𝑡𝑒𝑟𝑖𝑎 = 𝑘𝑝(𝑉𝑔𝑒𝑛 − 𝑉𝑔𝑒𝑛 𝑟𝑒𝑓) (30)
El voltaje para la descarga de la batería se regula con el controlador proporcional y el
error entre el voltaje de referencia 𝑉𝑔𝑒𝑛 𝑟𝑒𝑓 y el voltaje del generador 𝑉𝑔𝑒𝑛.
𝑉𝐵𝑎𝑡𝑒𝑟𝑖𝑎 = 𝑘𝑝(𝑉𝑔𝑒𝑛 𝑟𝑒𝑓 − 𝑉𝑔𝑒𝑛) (31)
En el sistema CC el voltaje en las cargas fantasmas se regula con el controlador
proporcional y el error entre el voltaje en la carga 𝑉𝑐𝑎𝑟𝑔𝑎 y el voltaje de referencia
𝑉𝑐𝑎𝑟𝑔𝑎 𝑟𝑒𝑓.
𝑉𝐷𝐿 = 𝑘𝑝(𝑉𝑐𝑎𝑟𝑔𝑎 − 𝑉𝑐𝑎𝑟𝑔𝑎 𝑟𝑒𝑓) (32)
En el sistema CA el voltaje en las cargas fantasmas se regula con el controlador
proporcional y el error entre la potencia en la carga 𝑃𝑐𝑎𝑟𝑔𝑎 y la potencia de referencia
𝑃𝑐𝑎𝑟𝑔𝑎 𝑟𝑒𝑓.
𝑉𝐷𝐿 = 𝑘𝑝(𝑃𝑐𝑎𝑟𝑔𝑎 − 𝑃𝑐𝑎𝑟𝑔𝑎 𝑟𝑒𝑓) (33)
2.8 Filtro Pasa Bajo LC
Un filtro pasa bajo rechaza señales de frecuencias superiores a una establecida, de nominada
frecuencia de corte (𝑓𝑐).
El circuito de la Figura 24 corresponde a la configuración LC de un filtro pasa bajas de segundo
orden: (González & M, 2007)
36
Figura 24.Circuito filtro pasa bajo. Fuente: (González & M, 2007) Elaboración: (González & M, 2007)
La función de transferencia es:
𝑉𝑜𝑢𝑡
𝑉𝑖𝑛=
1
1 + 𝑆2𝐿𝐶 (34)
En el dominio de la frecuencia:
𝑉𝑜𝑢𝑡 =
1𝑗𝜔𝐶
𝑗𝜔𝐿 +1
𝑗𝜔𝐶
=1
1 − 𝜔2𝐿𝐶 (35)
La frecuencia de corte es:
𝑓𝑐 =1
2𝜋√𝐿𝐶 (36)
37
CAPÍTULO III
DISEÑO DE LOS SISTEMAS CC Y CA AISLADOS Y DESCRIPCION DE LOS BLOQUES
EN SIMULINK
38
3.1 Introducción
En el presente capitulo se muestran y se describen dos diseños diferentes para un sistema
aislado, considerando principalmente el tipo de carga a utilizar. El primer diseño se lo realizo
pensado directamente para cargas resistivas con salida en CC, el segundo diseño se lo realizo
con una salida en CA para cubrir la demanda de cargas tanto resistivas, capacitivas e
inductivas, garantizándome así los diseños una adecuada distribución de energía y un sistema
estable en las diferentes salidas del mismo.
3.2 Diseño del sistema con salida CC
En la Figura 25 se muestra el diagrama de bloques del diseño con salida en CC, el sistema
cuenta con un generador de CC variable, interfaces electrónicas de potencia, un sistema de
almacenamiento y un sistema de control de cargas fantasmas.
Figura 25. Diseño propuesto con salidas en CC. Fuente: Los Autores. Elaboración: Los Autores.
39
3.3 Diseño del sistema con salida CA
En la Figura 26 se muestra el diagrama de bloques del diseño con salida en CA, el sistema
cuenta con un generador de CC variable, interfaces electrónicas de potencia, un sistema de
almacenamiento y un sistema de control de cargas fantasmas. El diseño nos da como
resultados en la salida 120V a 60Hz, el control de cargas fantasmas y el control de carga y
descarga de batería son los encargados de mantener el sistema estable con salida constante
independiente de las variaciones de la carga o la velocidad del generador.
Figura 26. Diseño propuesto con salidas en CC. Fuente: Los Autores. Elaboración: Los Autores.
3.4 Descripción de los bloques en Simulink
3.4.1 Generador CC
El primer bloque del sistema es el generador de energía eléctrica CC, cabe destacar que en
el primer escenario de simulación se introducen 120 RPM que posteriormente mediante una
función se convierte en velocidad angular (ω) para ser inyectada al generador, además
también se realizan variaciones en los RPM para analizar el comportamiento del generador y
del siguiente bloque (Convertidor Buck).
40
Figura 27. Bloque del generador CC en MATLAB-SIMULINK. Fuente: Los Autores. Elaboración: Los Autores.
Características del generador CC
Tipo de generador: Generador DC de imanes permanentes
Voltaje nominal: 48 VCC
Constante de Torque: 1.8 (N.m/A)
3.4.2 Convertidor CC-CC Tipo Buck
Este tipo de convertidor nos permite obtener un voltaje a su salida menor que el voltaje de
entrada, es decir, se puede obtener a la salida un voltaje entre 0V y un voltaje inferior al voltaje
de entrada, la descripción más detallada de este tipo de convertidor se puede encontrar en el
capítulo II de este trabajo.
Figura 28. Bloque del Convertidor CC-CC tipo Buck en MATLAB-SIMULINK. Fuente: Los Autores. Elaboración: Los Autores.
En la Figura 29 se puede apreciar el bloque usado en nuestro sistema y se evidencia las
variables de entrada y salida que posee.
41
Figura 29. Configuración del bloque del Convertidor CC-CC tipo Buck en MATLAB-SIMULINK. Fuente: Los Autores. Elaboración: Los Autores.
La descripción de los componentes que conforman al convertidor de tipo Buck se realiza a
continuación:
Duty Cycle: Esta variable de entrada toma los valores obtenidos del bloque del control
Buck, para ser aplicados a un generador de pulsos con una frecuencia de 5000 Hz.
IGBT:
Resistencia: 0.001 Ohms
Resistencia Snubber: 1e5 Ohms
Diodo:
Resistencia: 1e-4 Ohms
Resistor: 0.005 Ohms
Inductor: 5e-3 H
3.4.3 Control del Convertidor CC-CC Tipo Buck
Para garantizar un voltaje estable y constante a la salida del convertidor Buck se utilizó un
control PI que se describió en el capítulo anterior y sus características de simulación se
presentan a continuación:
Figura 30. Configuración del bloque de control CC-CC tipo Buck en MATLAB-SIMULINK. Fuente: Los Autores. Elaboración: Los Autores.
42
En la Figura 30 se puede apreciar el bloque en MATLAB-SIMULINK. del control Buck y se destaca
la variable de entrada para ser controlada esta es el voltaje medido en el Bus CC y la salida
el ciclo de trabajo. Dentro del bloque se describen las variables y algoritmo para la operación
del control PI. En la Figura 31 se muestra el bloque de dicho algoritmo.
Figura 31. Configuración del bloque de control PI para el convertidor CC-CC tipo Buck en MATLAB-SIMULINK. Fuente: Los Autores. Elaboración: Los Autores.
3.4.4 Convertidor CC-CC Tipo Boost
Este tipo de convertidor nos permite obtener un voltaje a su salida mayor que el voltaje de
entrada, es decir, se puede obtener a la salida un voltaje igual al voltaje de entrada o superior
a este, la descripción más detallada de este tipo de convertidor se puede encontrar en el
capítulo II de este trabajo.
Figura 32. Bloque del convertidor CC-CC tipo Boost en MATLAB-SIMULINK. Fuente: Los Autores. Elaboración: Los Autores.
En la Figura 33 se muestra el bloque usado en el diseño propuesto del sistema aislado con
sus variables de entrada y salida.
43
Figura 33. Configuración del bloque del convertidor CC-CC tipo Boost en MATLAB-SIMULINK. Fuente: Los Autores. Elaboración: Los Autores.
Los componentes y las variables de entrada y salida de este bloque se describen a
continuación:
Duty Cycle: Esta variable de entrada toma los valores obtenidos del bloque del control
Buck, para ser aplicados a un generador de pulsos con una frecuencia de 5000 Hz.
IGBT 1:
Resistencia: 0.001 Ohms
Resistencia Snubber: 1e5 Ohms
Diodo 1:
Resistencia: 1e-4 Ohms
Resistencia: 0.005 Ohms
Inductor: 5e-3H
3.4.5 Control del Convertidor CC-CC Tipo Buck
Para garantizar un voltaje estable y constante a la salida del convertidor Boost se utilizó un
control PI que se describió en el capítulo anterior y sus características de simulación se
presentan a continuación:
Figura 34. Configuración del bloque para el convertidor CC-CC tipo Buck en MATLAB-SIMULINK. Fuente: Los Autores. Elaboración: Los Autores.
44
En la Figura 34 se puede apreciar el bloque en MATLAB-SIMULINK del control Boost y se
destaca la variable de entrada para ser controlada esta es el voltaje medido en el Bus CC y la
salida el ciclo de trabajo. Dentro del bloque se describen las variables y algoritmo para la
operación del control PI. En la Figura 35 se muestra el bloque de dicho algoritmo.
Figura 35. Configuración del bloque de control PI para el convertidor CC-CC tipo Boost en MATLAB-SIMULINK. Fuente: Los Autores. Elaboración: Los Autores.
3.4.6 Carga y descarga de la Batería
En el sistema CC aislado propuesto se hizo uso de una batería de 12 voltios y 16 Ah, mientras
que para el sistema CA se hizo uso de una batería de 24 voltios y 16 Ah. En la Figura 36 se
muestra el bloque de la batería y el control Buck-Boost.
Figura 36. Bloque de carga y descarga de batería en MATLAB-SIMULINK. Fuente: Los Autores. Elaboración: Los Autores.
Para la Carga y Descarga de la batería se optó por utilizar un convertidor CC-CC tipo Buck-
Boost el convertidor Buck para cargar y el convertidor Boost para descargar la batería. Para
la activación y desactivación de estos convertidores se diseñó un algoritmo, en la siguiente
45
imagen se presenta el diagrama de flujo. El sistema analiza tres condiciones tanto para carga
como descarga siendo estas el voltaje de generador (𝑉𝑔𝑒𝑛), potencia de carga (𝑃𝑙𝑜𝑎𝑑) y estado
de carga de la batería (𝑆𝑂𝐶).
Figura 37. Algoritmo de control de carga y descarga de batería. Fuente: Los Autores. Elaboración: Los Autores.
46
El ciclo de trabajo necesario para la operación de los transistores se obtiene mediante un
control PI, que se describió en el capítulo anterior. En la siguiente figura se puede observar el
bloque donde se genera el algoritmo.
Figura 38. Bloque de control de carga y descarga de batería en MATLAB- SIMULINK. Fuente: Los Autores. Elaboración: Los Autores.
3.4.7 Carga fantasma
Una carga fantasma o ficticia es un dispositivo utilizado para simular una carga eléctrica, en
los diseños propuestos CC y CA se incorporó este bloque como medida de seguridad
principalmente en el generador en el caso de que la carga conectada al sistema sea muy baja
o no exista ninguna carga conectada, ya que si no existiera este bloque y la carga este en
cero los armónicos se regresarían hasta el generador provocando daños y averías a este.
Figura 39. Bloque de carga fantasma en MATLAB- SIMULINK. Fuente: Los Autores. Elaboración: Los Autores.
47
Para el accionamiento de este bloque se hace una comparación en la carga conectada a la
red y se optó por un transistor MOSFET por su alta velocidad en computación, el ciclo de
trabajo necesario para la operación se obtiene de un control PI detallado en el capítulo
anterior. La Figura 40 muestra el algoritmo de control para la carga fantasma.
Figura 40. Bloque de control de carga fantasma en MATLAB- SIMULINK. Fuente: Los Autores. Elaboración: Los Autores.
3.4.8 Inversor CC-CA tipo IGBT
El inversor CC-CA se incorporó en el diseño del sistema CA para la conversión del voltaje CC
a un voltaje estable de 120VCA a 60Hz. El funcionamiento y modelado matemático del
inversor CC-CA se detalló en el capítulo II. En la siguiente figura se puede observar el bloque
del inversor y a continuación se detalla las características de simulación.
Figura 41. Bloque del inversor CC-CA en MATLAB- SIMULINK. Fuente: Los Autores. Elaboración: Los Autores.
48
Dispositivo electrónico de potencia: IGBT/Diodos
Resistencia Snubber: 100000 Ohms
Capacitancia Snubber: 1e-3 F
Resistencia: 1e-3 Ohms
3.4.9 Regulador de voltaje para el inversor CC-CA
El regulador de voltaje es necesario para tener a la salida del inversor una señal estable de
120VCA a 60Hz. La Figura 42 muestra el bloque en MATLAB-SIMULINK del regulador con
sus variables de entrada y salida, la entrada es el voltaje medido en la carga y la salida es
una señal PWM que se inyecta al inversor para su operación, y en la Figura 43 se puede
observar el algoritmo diseñado para el regulador de voltaje.
Figura 42. Bloque del regulador de voltaje para el convertidor CC-CA en MATLAB- SIMULINK. Fuente: Los Autores. Elaboración: Los Autores.
Figura 43. Bloque de control del regulador de voltaje para el convertidor CC-CA en MATLAB- SIMULINK. Fuente: Los Autores. Elaboración: Los Autores.
3.4.10 Filtro pasa bajas LC
El filtro paso bajas LC rechaza señales de frecuencias superiores a 60 Hz, permitiendo tener
una señal con frecuencia estable. En el capítulo anterior se describió el circuito y modelado
matemático para un filtro LC. La Figura 44 muestra el bloque y circuito diseñado para el filtro
LC.
49
Los componentes seleccionados se describen a continuación:
Inductancia: 9e-3 H
Capacitancia: 12e-6 F
Figura 44. Bloque y circuito del filtro pasa bajo LC en MATLAB- SIMULINK. Fuente: Los Autores. Elaboración: Los Autores.
50
CAPÍTULO IV
SIMULACION DE LOS SISTEMAS CC Y CA AISLADOS Y PRESUPUESTO
51
4.1 Introducción
En el presente capitulo se presentarán las respuestas de las simulaciones expuestas a varios
escenarios y configuraciones de los sistemas de salidas de CC y CA.
4.2 Escenarios y configuración del sistema CC:
En el ANEXO A se puede observar el diseño completo del sistema CC aislado con batería y
carga fantasma.
Características de simulación:
Batería: conectada
Carga fantasma: conectada
Velocidad del generador: variable
Tiempo de simulación: 3 segundos
Tiempo de conexión de cargas
LOAD1: 2 segundos
LOAD2: 2 segundos
LOAD3: 3 segundos
4.2.1 Resultados de la simulación realizada del sistema con salida en CC
En la siguiente figura se puede observar los RPM variable que posteriormente se convertirán
en velocidad a través de la función 𝜔 = (2𝜋
60) 𝑅𝑃𝑀 ∗ 2 para ser inyectada al generador.
Figura 45. Señal variable de las revoluciones por minuto (RPM). Fuente: Los Autores. Elaboración: Los Autores.
52
La Figura 46 muestra el estado de carga de la batería en donde durante el tiempo de 1 a 2
segundos la batería está en modo Descarga y en el tiempo de 2 a 3 segundos en modo Carga.
Figura 46. Señal de estado de carga de la batería sistema CC. Fuente: Los Autores. Elaboración: Los Autores.
Figura 47. Señal de voltaje y corriente en batería. Fuente: Los Autores. Elaboración: Los Autores.
La Figura 48 muestra las tres señales de salida del sistema CC, la señal de voltaje en el Bus,
la señal de voltaje en las Cargas y la señal de potencia en las Cargas.
53
Figura 48. Señales de salida del sistema CC. Fuente: Los Autores. Elaboración: Los Autores.
4.3 Escenarios y configuración del sistema CA:
En el ANEXO B se puede observar el diseño completo del sistema CA aislado con batería y
carga fantasma, para analizar el desempeño de este sistema se realizan 4 escenarios con
diferentes tipos de cargas: cargas resistivas; cargas resistivas, inductivas y capacitivas;
cargas no lineales resistivas y capacitivas; y cargas no lineales resistivas e inductivas.
4.3.1 Características de simulación del sistema CA con cargas R:
Batería: conectada
Carga fantasma: conectada
Velocidad del generador: variable
Tiempo de simulación: 3 segundos
Tipo de cargas: Resistivas
Tiempo de conexión de cargas
AC load: 2 segundos
AC load1: 2 segundos
AC load2: 3 segundos
54
4.3.1.1 Resultados de la simulación realizada del sistema con salida en CA
En la siguiente figura se puede observar los RPM variable que posteriormente se convertirán
en velocidad a través de la función 𝜔 = (2𝜋
60) 𝑅𝑃𝑀 ∗ 2 para ser inyectada al generador. Cabe
destacar que esta señal será utilizada para todos los escenarios en la simulación CA.
Figura 49. Señal variable de las revoluciones por minuto (RPM). Fuente: Los Autores. Elaboración: Los Autores.
La Figura 50 muestra el estado de carga de la batería en donde durante el tiempo de 1 a 2
segundos la batería está en modo Descarga y en el tiempo de 2 a 3 segundos en modo
Carga.
Figura 50. Señal de estado de carga de la batería sistema CA. Fuente: Los Autores. Elaboración: Los Autores.
55
Figura 51. Señales de voltaje y corriente en batería. Fuente: Los Autores. Elaboración: Los Autores.
La Figura 52 muestra las cuatro señales de salida del sistema CA con cargas resistivas, la
señal de voltaje en el Bus, la señal de voltaje en las Cargas, la señal de corriente en las Cargas
y la señal de potencia en las Cargas.
Figura 52. Señales de salida del sistema CA con cargas R. Fuente: Los Autores. Elaboración: Los Autores.
Para cuantificar los niveles de distorsión armónica en las señales utilizaremos el índice de
distorsión armónica total (THD), este índice se define como la relación entre el valor eficaz del
total de las componentes armónicas y el valor eficaz correspondiente a la componente
fundamental. Este valor es usualmente expresado como un porcentaje de la onda
fundamental.
56
El análisis del porcentaje de THD se lo realizara utilizando la herramienta FFT Analysis
(Transformada Rápida de Fourier) del bloque Powergui las características de simulación son
las siguientes:
Señal analizada: Voltaje en la Carga
Tiempo de inicio: 0.5 segundos
Numero de ciclos: 150
Frecuencia fundamental: 60 Hz
Frecuencia máxima: 400 Hz
En la Figura 53 se puede observar la frecuencia fundamental de 60 Hz en la que se visualiza
la mayor magnitud de potencia (1), también existen magnitudes pequeñas menores a 0.5 en
los armónicos 2º, 4º y 6º.
Figura 53. Armónicos y porcentaje THD del sistema CA con cargas R. Fuente: Los Autores. Elaboración: Los Autores.
4.3.2 Características de simulación del sistema CA con cargas R, L y C:
Batería: conectada
Carga fantasma: conectada
Velocidad del generador: variable
Tiempo de simulación: 3 segundos
Tipo de cargas: Resistivas, inductivas y capacitivas
57
4.3.2.1 Resultados de la simulación realizada del sistema con salida en CA
La Figura 54 muestra las cuatro señales de salida del sistema CA con cargas R, L y C, la
señal de voltaje en el Bus, la señal de voltaje en las Cargas, la señal de corriente en las Cargas
y la señal de potencia en las Cargas.
Figura 54. Señales de salida del sistema CA con cargas R, L y C. Fuente: Los Autores. Elaboración: Los Autores.
En la Figura 55 se puede observar la frecuencia fundamental de 60 Hz en la que se visualiza
la mayor magnitud de potencia, también existen magnitudes pequeñas menores a 0.8 en los
armónicos 2º, 3º y 4º.
Figura 55. Armónicos y el porcentaje THD del sistema AC con cargas R, L y C. Fuente: Los Autores. Elaboración: Los Autores.
58
4.3.3 Características de simulación del sistema CA con cargas no lineales RC:
Batería: conectada
Carga fantasma: conectada
Velocidad del generador: variable
Tiempo de simulación: 3 segundos
Tipo de cargas: No lineales RC
4.3.3.1 Resultados de la simulación realizada del sistema con salida en CA con
cargas no lineales RC
Figura 56. Señales de salida del sistema CA con cargas no lineales RC. Fuente: Los Autores. Elaboración: Los Autores.
En la Figura 57 se puede observar la frecuencia fundamental de 60 Hz en la que se visualiza
la mayor magnitud de potencia, también existen magnitudes pequeñas menores a 0.6 en los
armónicos 2º y 4º.
59
Figura 57. Armónicos y el porcentaje THD del sistema AC con cargas no lineales RC. Fuente: Los Autores. Elaboración: Los Autores.
4.3.4 Características de simulación del sistema CA con cargas no lineales RL:
Batería: conectada
Carga fantasma: conectada
Velocidad del generador: variable
Tiempo de simulación: 3 segundos
Tipo de cargas: No lineales RL
4.3.4.1 Resultados de la simulación realizada del sistema con salida en CA con
cargas no lineales RL
Figura 58. Señales de salida del sistema CA con cargas no lineales RL. Fuente: Los Autores. Elaboración: Los Autores.
60
En la Figura 59 se puede observar la frecuencia fundamental de 60 Hz en la que se visualiza
la mayor magnitud de potencia, también existen magnitudes pequeñas menores a 24 en los
armónicos 3º y 5º.
Figura 59. Armónicos y el porcentaje THD del sistema AC con cargas no lineales RL. Fuente: Los Autores. Elaboración: Los Autores.
4.4 Presupuesto
En la Tabla1 se presenta la lista de materiales con sus respectivas características y costo
comercial para la previa implementación de los diseños antes mencionados.
Material Carterista Precio ($)
Generador CC 48V-500W. 250
Batería 24V-16A. 80
Convertidores CC/CC (Boost) Convertidor Boost (IGBT) 5
Convertidores CC/CC (Boost-Buck) Convertidor Boost-Buck (IGBT) 8
Inversor CC/CA Módulo Inversor. 75
Armario Metálico 600x450x350mm. 80
Sistema de ventilación Ventiladores 24V. 8
Conductores Cable AWG 2.5mm. 20
Sensor de corriente Para batería 16A. 15
Sensor de voltaje Para batería 24V. 2
Cargas Fantasmas Transistor (MOSFET) 5
Subtotal 548
+15% Imprevistos 82.2
Total 630.2
Tabla 1. Costos de materiales para futura implementación. Elaboración: Los Autores.
61
CONCLUCIONES
Los dos sistemas propuestos son una solución a los problemas de distribución eléctrica
en zonas rurales, en donde el acceso a la electrificación convencional es costoso y de
difícil acceso. Teniendo así un sistema de electrificación no convencional, autónomo y
asequible.
Se concluye que en los sistemas propuestos de pico hidrogeneración basado en
vórtice gravitacional con generador CC, las pérdidas de potencia en el sistema son
menores en comparación a sistemas con generadores CA, debido a que las pérdidas
de potencia de los sistemas de generación de energía eléctrica están directamente
relaciones con los bloques de conversión de energía, utilizando un bloque más en
sistemas de generación con generadores CA.
El algoritmo de control para carga y descarga de batería, cumple su objetivo teniendo
una respuesta rápida a las diferentes variaciones que pueden llegar a tener los
sistemas, garantizando una rápida estabilidad y minimizando la distorsión en la señal
de salida.
En el sistema propuesto de CC obtuvimos resultados con menos perdida de potencia
ya que su topología cuenta con un bloque menos de conversión de energía que el
sistema CA, pero a diferencia del sistema CA, este sistema únicamente se lo puede
utilizar para iluminación y comunicación, mientras que, para el uso de pequeños
motores, conservación de alimentos, computación, comunicación e iluminación se
utilizaría el sistema CA.
Con los resultados obtenidos en los diferentes escenarios, recreando situaciones
reales en la simulación del sistema propuesto CA, podemos concluir que para un
sistema aislado monofásico un filtro LC responde positivamente en la reducción de
armónicos, dándonos niveles de THD aceptables.
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RECOMENDACIONES
Para sistemas con mayor demanda de potencia se recomienda un sistema con
generadores en cascada o la adición de otros sistemas de generación de energía
eléctrica renovables como generación fotovoltaica o eólica.
Para sistemas con generación de potencia a mayor escala, es decir, para sistemas
trifásicos se recomienda la implementación de algoritmos de controles de calidad de
energía (P-Q).
Para una futura implementación de los dos sistemas se recomienda utilizar un
microcontrolador para los algoritmos de control de batería y generación de pulsos en
los diferentes convertidores de energía.
63
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66
ANEXOS
67
ANEXO A
Simulación del sistema CC
68
ANEXO B
Simulación del sistema CA con cargas Resistivas
69
ANEXO C
Simulación del sistema CA con Cargas R, L y C.
70
ANEXO D
Simulación del sistema CA con cargas No Lineales RC
71
ANEXO E
Simulación del sistema CA con cargas No Lineales RL