Simularea convertorului Buck-Boost pentru panourile solare utilizând PID Controler

Abstract

În prezent, există o mulțime de aplicații tehnologice care utilizează surse de energie naturale, ecologice. Cu toate acestea, un dezavantaj adesea întâlnit în sursele naturale de energie este că intensitatea produsă este incertă. Această apariție se regăsește și în panourile solare, în care intensitatea luminii care intră nu este întotdeauna egală. Intensitatea luminii poate fi afectată de diferiți factori, cum ar fi cele pe vreme uimitoare sau însorită. Această neregularitate a intensității luminii duce la abaterea tensiunii produse de panoul solar. Cu ajutorul convertizoarelor buck-boost, cantitatea de tensiune de ieșire poate fi setată la o valoare mai mare sau mai mică decât tensiunea de intrare, permițându-ne să menținem tensiunea de ieșire dorită. Cantitatea de tensiune de ieșire produsă este controlată de un program de microcontroler care reglează lățimile impulsurilor produse de semnalele PWM. Această lucrare discută despre proiectarea unui convertor buck-boost pentru panourile solare, cu o intrare de tensiune cuprinsă între 10 și 50 V. Reglarea tensiunii de ieșire este obiectivul principal în analizarea succesului design-lui creat. Proiectarea este simulată cu Proteus 8.0 și produce o ieșire de tensiune cu o eficiență de 90 până la 99%.

Cuvinte cheie: convertor buck-boost; PWM; ciclul de funcționare; panou solar; energie solară

1. Introducere

Panourile solare sunt utilizate pe scară largă ca o alimentare cu energie electrică ecologică. Este foarte populară deoarece este simplu de instalat și relativ rentabilă. Din nefericire, se găsește adesea o problemă, unde producția de tensiune produsă nu este constantă. Un convertor buck-boost este o componentă găsită în panourile solare care este utilizată pentru a regla tensiunea de ieșire produsă de aceste panouri solare. Acest convertor poate fi reglat pentru a produce tensiune cu o valoare mai mare sau mai mică decât tensiunea inițială. Acest experiment are scopul de a crea o tensiune de ieșire la o valoare constantă de 12 V, cu o gamă de intrare de tensiune de 10 până la 50 V. Valoarea tensiunii produsă de convertizor este controlată de lățimea pulsului produsă de generatorul PWM (modulație cu lățime de impuls). Lărgimea pulsului produsă de generatorul PWM este controlată de un microcontroler. Microcontrolerul este programat să controleze lățimea și frecvența pulsului produse. Conform problemei menționate mai sus, autorul creează o arhitectură a circuitelor, precum și o schemă de controler pentru convertoarele buck-boost care pot produce o ieșire constantă a tensiunii, care nu este afectată de intensitatea luminii solare. Schema de controler folosită este PID (Derivata Integral Proporțională). Circuitul convertorului este conectat la microcontrolerul arduino și simulat în Proteus 8.0.

1.1 Modularea lățimii impulsurilor (PWM)

Modularea lățimii pulsului este o metodă utilizată pentru reglarea lățimii unui semnal. Această lățime a semnalului este reprezentată ca o lățime a impulsului pentru o perioadă de timp. În mod obișnuit, un semnal PWM are o amplitudine și o frecvență de bază egale, dar cu o lățime diferită a impulsului. Cu ajutorul tehnicii PWM, se vor forma mai multe impulsuri de pornire și oprire. Procentul de impulsuri este reprezentat în ciclurile de funcționare. Un ciclu de funcționare are un interval de 0 până la 100%. Din calcularea ciclului de funcționare, tensiune de ieşire rezultat va fi cunoscut. Acest lucru este menționat aici

(1)

Unde în:

1.2 Circuitul convertor PWM buclă-amplificator în modul curent continuu (CCM)

Un convertor buck-boost este un tip de convertor care are capacitatea de a converti o ieșire de tensiune într-o ieșire mai mare sau mai mică decât tensiunea de intrare. Polaritatea ieșirii de tensiune va fi opusul polarității tensiunii de intrare a tensiunii. Circuitul convertor PWM buck-boost este prezentat în Figura 1.a. Circuitul constă dintr-un MOSFET ca un comutator controlat, inductor L, condensator de filtru C și rezistență de sarcină RL. Comutatorul este pornit și oprit pe frecvența de comutare (Fs) = 1 / T cu un raport de ciclu de funcționare (D) = ton / T, în care ton este un interval de timp când porniți. Figura 1.b. afișează un circuit echivalent al convertorului buck-boost pentru CCM când comutatorul este pornit și dioda este oprită și atunci când întrerupătorul este oprit și dioda este pornită.

În intervalul de timp 0 <t ≤DT, comutatorul se aprinde și dioda se oprește, așa cum se arată în figura 1.b. Tensiunea de diodă este - (Vi + Vo) și acest lucru menține dioda oprită. Tensiunea inductorului este Vi și adaugă creșterea liniară pe curentul inductor cu o înclinare de Vi / L. În timpul intervalului DT <t ≤ T, opriți și porniți dioda, așa cum se arată în figura 1.c. Tensiunea inductorului este -Vo și determină ca curentul inductorului să scadă liniar cu o înclinare de -Vo / L. Tensiunea comutatorului este Vi + Vo. Când t = T, comutatorul se aprinde și începe un nou ciclu.

Figura 1. Convertor PWM buck-boost și circuitul ideal echivalent pentru modul CCM.

(a) Circuit convertor Buck-boost.

(b) Circuit echivalent în timpul pornirii și al opririi diodelor.

(c) Circuit echivalent în timpul comutatorului de oprire și al diodei.