Análisis de eficiencia en el inversor elevador con reducción en el estrés de voltaje de los semiconductores

El presente trabajo de investigación muestra el modelamiento matemático de la eficiencia del inversor elevador teniendo en cuenta las pérdidas por conducción y conmutación, cuando se impone contenido armónico en los lazos de control del voltaje de los condensadores con el fin de reducir el estrés en...

Full description

Autores:
Martínez Torres, Juan Camilo
Tipo de recurso:
Trabajo de grado de pregrado
Fecha de publicación:
2021
Institución:
Universidad de Ibagué
Repositorio:
Repositorio Universidad de Ibagué
Idioma:
spa
OAI Identifier:
oai:repositorio.unibague.edu.co:20.500.12313/4916
Acceso en línea:
https://hdl.handle.net/20.500.12313/4916
Palabra clave:
Perdidas por conducción - Conmutación - Potencia
Eficiencia en el inversor
Voltaje de semiconductores
Inversor elevador
Eficiencia
Pérdidas por conducción
Pérdidas por conmutación
Contenido armónico
Pérdidas de potencia
Step-up inverter
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description El presente trabajo de investigación muestra el modelamiento matemático de la eficiencia del inversor elevador teniendo en cuenta las pérdidas por conducción y conmutación, cuando se impone contenido armónico en los lazos de control del voltaje de los condensadores con el fin de reducir el estrés en los semiconductores. El inversor tiene un sistema de control, el cual fue diseñado para operar a una frecuencia nominal de 50 Hz y un rango de operación de carga de 220 a 2200 ohm, con un voltaje de entrada entre 100 y 150 VDC. El sistema de control se configura con un lazo doble en cada lado del convertidor, en donde el lazo interno controla la corriente del inductor y el externo el voltaje en el capacitor. Para llevar a cabo el análisis de eficiencia se tuvieron en cuenta tres posibles casos de operación: una cuando las referencias de los lazos del voltaje contienen el segundo y cuarto armónico, otro cuando se usa solamente el segundo armónico, y otro sin incluir armónicos en las referencias. El análisis comparativo se basa en el uso de superficies 3D de la eficiencia en función de la potencia de salida y el voltaje de alimentación del inversor. Finalmente, se obtienen modelos que demuestran la relevancia del uso de referencias con contenido armónico en el inversor elevador para obtener una mejora en la eficiencia.
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spelling López Santos, Oswaldoda4d97cf-765b-4ee3-897d-70e80ba0bc58-1Martínez Torres, Juan Camilo0fc641f0-b62d-4bfd-a370-c929fac9199e-12025-03-31T13:31:25Z2025-03-31T13:31:25Z2021El presente trabajo de investigación muestra el modelamiento matemático de la eficiencia del inversor elevador teniendo en cuenta las pérdidas por conducción y conmutación, cuando se impone contenido armónico en los lazos de control del voltaje de los condensadores con el fin de reducir el estrés en los semiconductores. El inversor tiene un sistema de control, el cual fue diseñado para operar a una frecuencia nominal de 50 Hz y un rango de operación de carga de 220 a 2200 ohm, con un voltaje de entrada entre 100 y 150 VDC. El sistema de control se configura con un lazo doble en cada lado del convertidor, en donde el lazo interno controla la corriente del inductor y el externo el voltaje en el capacitor. Para llevar a cabo el análisis de eficiencia se tuvieron en cuenta tres posibles casos de operación: una cuando las referencias de los lazos del voltaje contienen el segundo y cuarto armónico, otro cuando se usa solamente el segundo armónico, y otro sin incluir armónicos en las referencias. El análisis comparativo se basa en el uso de superficies 3D de la eficiencia en función de la potencia de salida y el voltaje de alimentación del inversor. Finalmente, se obtienen modelos que demuestran la relevancia del uso de referencias con contenido armónico en el inversor elevador para obtener una mejora en la eficiencia.This research work shows the mathematical modeling of the efficiency of the step-up inverter taking into account the conduction and switching losses, when harmonic content is imposed on the capacitor voltage control loops in order to reduce the stress on the semiconductors. The inverter has a control system, which was designed to operate at a nominal frequency of 50 Hz and a load operating range of 220 to 2200 ohm, with an input voltage between 100 and 150 VDC. The control system is configured with a dual loop on each side of the converter, where the inner loop controls the inductor current and the outer loop controls the capacitor voltage. To carry out the efficiency analysis, three possible operating cases were considered: one when the voltage loop references contain the second and fourth harmonics, one when only the second harmonic is used, and one without including harmonics in the references. The comparative analysis is based on the use of 3D surfaces of the efficiency as a function of output power and inverter supply voltage. Finally, models are obtained that demonstrate the relevance of the use of references with harmonic content in the boost inverter to obtain an improvement in efficiency.PregradoIngeniero ElectrónicoResumen.....XI Lista de símbolos y abreviaturas.....XIII 1. Antecedentes.....1 2. Introducción.....2 3. Objetivos.....4 3.1 Objetivos específicos.....4 3.2 Objetivos específicos.....4 4. Metodología.....5 5. Marco teórico y estado del arte.....6 5.1 Sistemas fotovoltaicos.....6 5.2 Microred.....7 5.3 Inversores DC-AC.....7 5.4 Inversor elevador.....8 5.5 Eficiencia de un circuito electrónico.....9 5.6 Investigaciones previas.....10 6. Análisis de eficiencia teniendo en cuenta pérdidas por conducción.....15 6.1. Modelamiento matemático con pérdidas de conducción.....15 6.2. Simulación incluyendo pérdidas de conducción.....17 6.3. Superficie de eficiencia con pérdidas de conducción.....19 7. Análisis de eficiencia teniendo en cuenta pérdidas por conmutación.....23 7.1. Modelamiento matemático con pérdidas de conmutación.....23 7.2. Simulación incluyendo pérdidas por conmutación.....24 7.3. Superficies de eficiencia con pérdidas de conmutación.....25 8. Análisis de eficiencia integrando pérdidas por conducción y conmutación.....29 8.1. Modelamiento matemático de la eficiencia.....29 8.2. Simulación de la eficiencia.....29 8.3. Superficies de eficiencia.....29 9. Conclusiones y recomendaciones.....33 9.1 Conclusiones.....33 9.2 Recomendaciones.....34 10. Referencias.....3753 páginasapplication/pdfMartínez Torres, J.C. (2021). Análisis de eficiencia en el inversor elevador con reducción en el estrés de voltaje de los semiconductores. [Trabajo de grado, Universidad de Ibagué]. https://hdl.handle.net/20.500.12313/4916https://hdl.handle.net/20.500.12313/4916spaUniversidad de IbaguéIngenieríaIbaguéIngeniería ElectrónicaC. Toro Zuluaga, «Diseño e implementación de topologías de inversores monofásicos convencionales». Informe de asistencia de investigación, Programa de Ingeniería Electrónica, Universidad de Ibagué, 2012.D. F. González Morales, «Sistema de sincronización analógico- digital para aplicaciones conectadas a la red eléctrica». 2014.F. J. Filter Rull, «Análisis, modelado y control del inversor de Barbi mediante conmutación bipolar basada en modulación por ancho de pulso». jun. 2020.O. Lopez-Santos, G. Garcia, H. Valderrama-Blavi, y T. Sierra-Polanco, «Robust Sliding-Mode Control Design for a Voltage Regulated Quadratic Boost Converter», IEEE Trans. Power Electron., p. 34, 2013.O. López-Santos, L. Martínez-Salamero, G. García, H. Valderrama-Blavi, y D. O. Mercuri, «Efficiency analysis of a sliding-mode controlled quadratic boost converter», IET Power Electron, vol. 6, p. 11, 2013.O. Lopez-Santos, L. Martinez-Salamero, H. Valderrama-Blavi, y D. Zambrano-Prada, «Steady-State Analysis of Inductor Conduction Modes in the Quadratic Boost Converter», p. 22.O. L. Santos, «Contribution to the DC-AC conversion in photovoltaic systems: Module oriented converters», p. 249.O. López-Santos y G. García, «Double Sliding-Surface Multiloop Control Reducing Semiconductor Voltage Stress on the Boost Inverter», p. 20, 2020.«Global Market Outlook for Photovoltaic 2013-2017». EPIA, 2017 2013.A. Jager-Waldau, T. Huld, K. Bodis, y S. Szabo, «Photovoltaics in Europe after the Paris Agreement», en 2018 IEEE 7th World Conference on Photovoltaic Energy Conversion (WCPEC) (A Joint Conference of 45th IEEE PVSC, 28th PVSEC & 34th EU PVSEC), Waikoloa Village, HI, jun. 2018, pp. 3835-3837. doi: 10.1109/PVSC.2018.8547634.W. Wu, C. Zhang, J. Su, y H. Wang, «The Design of New High Efficiency Photovoltaic Grid and Independent Power Supply Inverter», en 2015 International Conference on Computational Intelligence and Communication Networks (CICN), Jabalpur, dic. 2015, pp. 1579-1582. doi: 10.1109/CICN.2015.300.T. 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