Procesado de potencia y arquitecturas eléctricas adaptadas para aplicaciones de harvestin en baja tensión
- Autores: Juan A. Garriga
- Directores de la Tesis: Hugo Valderrama-Blavi (dir. tes.)
- Lectura: En la Universitat Rovira i Virgili ( España ) en 2020
- Idioma: español
- Tribunal Calificador de la Tesis: Luis Marroyo Palomo (presid.), Roberto Giral Castillón (secret.), Francesc Guinjoan (voc.)
- Programa de doctorado: Programa de Doctorado en Tecnologías para Nanosistemas, Bioingeniería y Energía por la Universidad Rovira i Virgili
- Materias:
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- Tesis en acceso abierto en: TDX
- Resumen
La tecnología moderna consume grandes cantidades de energía eléctrica, esta demanda de energía se incrementa como consecuencia de los avances tecnológicos. Esta energía se genera normalmente en plantas de energía donde diferentes fuentes de energía se convierten en energía eléctrica. Cada tipo de planta transformadora de energía y fuente de energía tiene sus propias ventajas e inconvenientes, pero además, muchas de ellas plantean problemas ambientales debido al exceso de contaminantes producidos en el proceso de conversión. Aunque se puede mejorar la eficiencia de conversión de energía de las centrales eléctricas, la contaminación y los residuos generados no siempre se pueden reducir. En este contexto, las fuentes de energía renovables, como la energía hidroeléctrica, los parques eólicos, las plantas fotovoltaicas y la energía de los océanos entre otras, deben tenerse en cuenta y aprovecharse para favorecer un desarrollo más sostenible y respetuoso con el medio ambiente. Pero la energía eléctrica no está disponible en todos los lugares, y esta afirmación justifica este trabajo. La idea es poder alimentar con energía renovable equipos de telemetría en alta mar con máxima autonomía, mínimo mantenimiento y máximas prestaciones. La primera solución que se consideró, que se empleaba entonces, y que actualmente se sigue utilizando, consiste en instalar un conjunto de baterías lo suficientemente grande para que pueda alimentar la aplicación correspondiente, por ejemplo un equipo de telemetría, durante toda la vida útil del mismo, sin necesidad de recarga. Algunas veces, el acceso a los equipos para reemplazar la batería es complicado e implica un gran coste si el proceso ha de repetirse periódicamente. Debido a esto, si se aumenta el tiempo de vida del sistema, se reducen los costes a largo plazo. Para poder alargar más este tiempo y optimizar el tamaño del conjunto equipo-baterías, se pensó en la posibilidad de ir recargando la batería a medida que se vaya descargando, solución que además, tendría la ventaja de disponer de más energía almacenada para poder consumir, y permitir así incrementar las funcionalidades y por tanto prestaciones del equipo de telemetría que alimenta.
Cada vez resulta más atractiva la alternativa de poder aprovechar la energía de una fuente natural en los lugares donde se ha instalado una aplicación remota, lugares donde las fuentes de energía son prácticamente inagotables, con la ventaja añadida de ampliar en el tiempo la necesidad de mantenimiento a lo largo de la vida útil de la aplicación para la renovación de pilas o baterías. El proceso de captura de pequeñas cantidades de energía con fuentes naturales, define el término “Cosechar energía” (Energy Harvesting). En este concepto de “Cosechar Energía”, intervienen las distintas técnicas de obtener energía del entorno en el que estamos, técnicas cuyo principal objetivo es la captación de energía del medio ambiente, su almacenamiento y gestión. De entre todas las fuentes energéticas renovables, en el desarrollo de esta tesis se trabaja con la energía de las olas (energía undimotriz).
De los diferentes métodos de cosechar energía undimotriz, los transductores magnéticos de oscilación lineal se pueden usar para convertir directamente la energía de la ola a energía eléctrica. Estos transductores generalmente están construidos con una bobina y un imán permanente. Un inconveniente que presentan los transductores inductivos empleados para extraer energía de las olas, es que normalmente la tensión alterna AC a baja frecuencia (f <10 Hz) que nos proporcionan es pequeña, y utilizar transformadores a esas frecuencias para aumentarla no sería viable por su gran tamaño. El prototipo de dispositivo de recolección construido, lo componen tres transductores inductivos que entregan un pico alto de voltaje de salida. Este dispositivo ofrece una salida elevada de tensión, por tanto, no se requieren circuitos rectificadores especiales.
La mayoría de los sistemas que convierten la energía de las olas en energía mecánica longitudinal o angular utilizan el movimiento hacia arriba y hacia abajo de las olas en un punto fijo del mar. Sin embargo, el sistema presentado utiliza el movimiento diferencial entre dos puntos de la superficie del agua. Por medio de palancas, el movimiento diferencial causado por una ola marina que se propaga sobre la superficie del mar, se convierte en un desplazamiento horizontal sincronizado de cada imán a través de la bobina correspondiente, lo que induce un pulso de tensión de acuerdo con la ley de Faraday. Para maximizar la transferencia de energía entre el generador recolector de energía y la carga, la adaptación de impedancias es la mejor opción. En este trabajo se propone como adaptador de impedancias un convertidor Híbrido Buck/Boost funcionando como una resistencia libre de pérdidas (LFR) controlado en modo deslizante (sliding). La robustez inherente a las variaciones paramétricas del control deslizante asegura una buena adaptación de impedancia para un amplio rango de variación de la tensión de entrada, como es nuestro caso. Así pues, la hipótesis que se formula y que pretende validar la tesis que se presenta, es que: utilizando como punto de partida energía cinética renovable no convencional (energía Undimotriz), se consiga recolectar con las mínimas perdidas, pequeñas cantidades de energía, que tras procesarla con un interfaz alternativo a los convertidores DC/DC convencionales, se pueda obtener energía eléctrica secundaria (almacenarla en una batería) para aplicaciones remotas.
Los principales objetivos de esta tesis han sido:
1. Evaluación y estado del arte de los diversos tipos de cosechadores de energía. (fuente térmica, mecánica, nuclear, RF…)(Densidad potencia, tensión disponible, punto de máxima potencia, dificultad de realización y análisis…) 2. Realización de un Prototipo de generador/cosechador orientado a la aplicación que se desea alimentar. Posibilidad de cooperación de diversas fuentes. Gestión del sistema y posible arquitectura eléctrica.
3. Diseño y realización de uno/dos procesadores adaptados al generador y aplicación.
4. Obtención de conclusiones Una vez caracterizado el transductor compuesto por tres solenoides conectados en distintas configuraciones, se monta un pequeño generador para ensayar su funcionamiento y obtener medidas repetitivas que nos permitan poder decidir cómo diseñar el transductor definitivo de energía undimotriz. En vista de los resultados, se adopta una solución de compromiso entre tensión e impedancia de salida, se llega a la conclusión de que una asociación de transductores mixta entre asociación serie y paralelo con distintos bobinados del solenoide puede ser satisfactoria, de esta manera, se puede llegar a tener un pulso de elevada tensión y baja impedancia de salida, lo que permitirá rectificar el pulso con un puente de diodos. Una vez estudiado el comportamiento del transductor frente a distintas configuraciones de conexión, se procede al diseño y construcción del prototipo del dispositivo recolector a una escala mayor. Como se comentó anteriormente, el objetivo principal, es cargar la batería de energía útil de un sistema autónomo, tomando tanta energía como sea posible del generador recolector. Si la batería se conecta directamente al generador, utilizando solo un rectificador de puente, la energía transferida no podrá ser la máxima, en parte debido a la falta de adaptación de impedancia entre la batería y el generador, y además, porque solo se podría aprovechar el inervalo del pulso generado en que la tensión sea superior al de la batería.
La solución propuesta, es un circuito de adaptación de impedancias entre el generador y la batería. La adaptación de impedancia es la única solución para maximizar la energía transferida en cualquier condición de trabajo. Sin embargo, incluso en este caso, solo el 50% de la energía producida por el transductor se transferirá a la carga. Por su simplicidad, se propone un convertidor DC-DC como resistencia libre de pérdidas (LFR) como circuito de adaptación de impedancia. La resistencia sin pérdida es un circuito de dos puertos con una impedancia de entrada resistiva RLFR que se puede ajustar. El puerto de salida, con una característica de fuente de alimentación, entrega a la carga, en este caso la batería del sistema, toda la potencia absorbida por la resistencia de entrada LFR.
Uno de los dos procesadores que se proponen y se desarrollan es una configuración Híbrida Buck/Boost. Mientras la tensión generada por el generador recolector, una vez rectificada vcf(t), sea inferior a la tensión de la batería Vbat, este circuito funcionará en su configuración Boost, mientras que para tensiones generadas y rectificadas superiores a la de la batería, lo hará en configuración Buck. Para imponer el comportamiento de LFR en ambos modos de funcionamiento (Boost o Buck) y asegurar la adaptación de impedancia, se deben diseñar dos leyes de control en modo deslizante diferentes, una para cada modo de funcionamiento. La selección entre ambos modos de funcionamiento, se realiza electrónicamente comparando la tensión de salida Vbat con la tensión en la entrada vcf, pero hay una pequeña zona muerta alrededor de Vbat donde el convertidor no funciona y no conmuta, por tanto se reducen las pérdidas de conmutación. Esta es una ventaja en comparación con los convertidores elevadores/reductores clásicos como el buck-boost, Cuk o SEPIC que siempre conmutan independientemente del valor de vcf(t) y Vbat. Para poder comparar los resultados del Híbrido Buck/Boost, el otro montaje práctico que se desarrollará es una configuración SEPIC. Como sucede con el convertidor HBB en el modo boost, la corriente de entrada tiene una forma de onda triangular, mientras que la corriente de salida es pulsante (conmutada). En este caso, como no hay zona muerta alrededor de Vbat, la adaptación de impedancia se produce para cualquier valor vcf (t). Además, como ventaja adicional, solo se requiere una ley de control de modo deslizante para imponer el comportamiento LFR para todo el rango de voltaje vcf(t).
La metodología utilizada para el desarrollo de los prototipos procesadores, es la industrialmente utilizada. Tras un estudio preliminar de las funciones requeridas por los circuitos, éstos se simulan con software de simulación y diseño electrónico (PSIM) y una vez obtenidos los resultados satisfactorios del diseño, se procede al diseño del PCB y posterior montaje del circuito. La simulación y los ensayos sobre el banco de trabajo se han realizado con dos señales de entrada diferentes, la primera señal vp(t) generada por la fuente de alimentación de CA del laboratorio modela la forma de onda de pulso generada por el dispositivo de recolección, la segunda vp(t) es una forma de onda sinusoidal.
Tras los ensayos se ha demostrado que el adaptador Híbrido Buck/Boost una vez superada la tensión umbral de arranque, funciona razonablemente bien a una frecuencia de la tensión de entrada muy superior a la de diseño. La impedancia de entrada media calculada por el osciloscopio, muestra buenos resultados de adaptación de impedancia entre la entrada del convertidor y la salida del generador. Las dos superficies de control del modo deslizante utilizadas, una para el modo de operación boost, donde la superficie controla la corriente de entrada y la otra para el modo de operación buck donde la superficie controla la corriente de salida han funcionado correctamente para la adaptación de las impedancias. Estas superficies han obligado al convertidor a comportarse como una resistencia libre de pérdidas (LFR). La eficiencia de adaptación del convertidor no es constante a lo largo del rango de tensiones de entrada, de todos modos, sea cual sea la tensión de entrada, la eficiencia de adaptación siempre es superior al 95%. El rendimiento del adaptador HBB en modo Boost es superior al 89%, mientras que en modo Buck varía entre el 90 y el 65 %, aunque el funcionamiento como LFR lo mantiene bastante bien. Este bajo rendimiento se puede deber a la dificultad de conmutación del MOSFET de lado alto del Buck, ya que el aumento de circuitería electrónica adicional, ocasiona retardos que provocan un deficiente seguimiento del control del deslizamiento, además de que en modo Buck la frecuencia de conmutación aumenta con la tensión de entrada. Se puede mejorar el rendimiento global utilizando una histéresis adaptativa para el controlador en modo Buck, ya que a tensiones altas de entrada se podría considerar una histéresis cuatro o cinco veces superior y por consiguiente se reduciría la frecuencia de conmutación y las pérdidas, por tanto mejoraría especialmente el rendimiento en modo reductor (buck) en la zona alta de tensión de entrada.
Los resultados también han demostrado que el adaptador SEPIC una vez superada la tensión umbral de arranque, funciona razonablemente bien a una frecuencia muy superior a la de diseño. La impedancia de entrada media calculada por el osciloscopio, muestra buenos resultados de adaptación de impedancia entre la entrada del convertidor y la salida del generador. La superficie de control del modo deslizante utilizada, donde la superficie controla la corriente de entrada ha funcionado correctamente para la adaptación de la impedancia. La eficiencia de adaptación de impedancia del convertidor, sea cual sea la tensión de entrada, siempre es superior al 98%. El rendimiento del adaptador SEPIC es superior al 80 %, en modo elevador llega a alcanzar el 90,81 %, momento en que empieza a descender hasta el 84 % para la mayor tensión de entrada, el funcionamiento como LFR lo mantiene aceptablemente bien. Este descenso de rendimiento se puede deber a la imprecisión del sensor de corriente en un amplio rango de valores de corriente.
La principal diferencia entre ambos circuitos adaptadores es su comportamiento cuando el voltaje de entrada del adaptador vcf(t) coincide con el voltaje de la batería. Si bien el convertidor híbrido debe cambiar su modo de operación, no sucede nada con el convertidor SEPIC. Así pues, en el caso del convertidor híbrido, hay una zona muerta de voltaje de entrada donde el convertidor no está conmutando. Aunque las pérdidas de conmutación desaparecen, durante esos instantes en que el control pierde el deslizamiento, la adaptación de impedancia se pierde. Ambos convertidores se comportan razonablemente bien y existe una buena adaptación de impedancias entre la salida del generador y la impedancia de entrada del convertidor, como se muestra en los extensos resultados experimentales y de simulación. Si se consigue minimizar las pérdidas del circuito de control del HBB a niveles del controlador del SEPIC, el circuito HBB propuesto presenta una buena alternativa como circuito procesador de energía harvesting. La eficiencia global de adaptación de impedancia del HBB, es muy superior frente a la del SEPIC, eso sí, salvando el hándicap del consumo excesivo de su control. Lo mismo sucede con la adaptación de impedancia.
En este trabajo se han estudiado dos convertidores conmutados que funcionan como circuitos de adaptación de impedancia. Para lograr esto, deben ser forzados a comportarse como una resistencia sin pérdidas (LFR), y aquí se introduce el control de modo deslizante como una técnica fácil para asegurar este comportamiento en una amplia gama de variaciones de voltaje de entrada y salida. En la literatura consultada, para aplicaciones de cosecha emplean convertidores Buck-boost y similares operando en DCM como solución a esta propuesta, pero el rango de variación del voltaje de entrada es generalmente pequeño. La solución propuesta aquí permite la adaptación de impedancia y el comportamiento de resistencia sin pérdidas con generadores de cosecha con un amplio rango de variación de tensión de entrada. Las principales ventajas de la técnica aquí propuesta son: la relativa simplicidad de la técnica de control en modo deslizante, su robustez inherente contra la variación paramétrica y las perturbaciones de entrada y salida
