ESTABLECIDAS USANDO MEDIDAS DEL LABORATORIO
Para la validación experimental de las relaciones de eficiencia expuestas en la sección anterior, se realizó la implementación de las topologías de interconexión serial y paralela en el laboratorio, en base a los convertidores de potencia mencionados ampliamente en el Capítulo 2. Primero, se describirá el equipamiento empleado para la validación y luego se procede con el análisis de los datos obtenidos.
4.4.1
Equipos empleados para la validación en el laboratorio
El equipo de laboratorio estuvo compuesto por una fuente BK PRECISION XLN 6024N (60V/24A 1.44kW) [164], cuyo objetivo consistió en emular la pila de combustible. Se adicionó un banco de condensadores de unos 10mF a su salida para evitar disparar las protecciones de sobretensión y sobrecorriente que posee la fuente, haciéndola propicia para las pruebas. Además, se agregó la fuente de 0.2Ω para emular las pérdidas resistivas de la pila de combustible, tal como lo muestra el esquema de las
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interconectaron empleando cables de conexión para corrientes de hasta 10A, teniendo en cuenta los requerimientos de potencia del sistema.
El sistema de adquisición de datos estaba compuesto por una tarjeta National Instruments PCI-6229 [165] (32AI a 250kS/s, 4AO a 833kS/s y 48DIO), instalada en un computador personal con sistema operativo Windows XP® con 2.6GHz y 2GB de memoria RAM. Se empleó como software para la adquisición de datos y control Matlab R2010a [144], usando el entorno Simulink, y el Toolbox Real Time Windows Target, permitiendo realizar adquisición de datos y control en tiempo real (con sus debidas limitaciones al trabajar en entorno Windows). Utilizando este Toolbox, es posible utilizar bloques muy simples para interactuar con los canales de entrada y salida tanto análoga como digital de la tarjeta de adquisición, además de poder emplear otros bloques propios de Simulink para establecer estrategias de control, visualización de datos, entre otras. En la Figura 70 se muestra un esquema de los principales elementos que componen el sistema para la validación experimental de eficiencia.
Figura 70. Componentes presentes en la implementación de las topologías de interconexión en el laboratorio
Vale la pena mencionar que para la implementación de la Topología Paralela se usaron 19 entradas análogas, 3 salidas análogas y 15 entradas/salidas digitales, por lo que fue necesario, considerando las funciones de visualización y almacenamiento de datos para su posterior análisis, que se empleara una frecuencia de muestreo de 5kHz. Para la Topología Serial, se emplearon 13 entradas análogas, 2 salidas análogas y 11 entradas/salidas digitales y se empleó una frecuencia de muestreo de 8kHz. Ambas frecuencias de muestreo se encontraban en el rango adecuado para asegurar los anchos de banda en lazo cerrado de los controladores de tensión de las topologías, tal como pudo verificarse en el capítulo anterior.
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Finalmente, en la Figura 71 se muestra una fotografía del montaje completo en el laboratorio, donde se pueden identificar claramente los convertidores de potencia, el banco de baterías, el computador personal, entre otros elementos que componen el sistema, como el circuito de control para la conmutación de las cargas usadas en las pruebas.
Figura 71. Componentes presentes en la implementación de las topologías de interconexión en el laboratorio
4.4.2
Validación de relaciones de eficiencia con los datos obtenidos en la práctica
En esta sección, se realiza el análisis de los datos obtenidos en el laboratorio, teniendo en cuenta una metodología similar a la empleada con los datos obtenidos mediante simulación para las topologías de interconexión. La información obtenida de la experimentación, también fue separada por periodo del perfil de carga y luego por nivel máximo del mismo. Debido a que se busca comprobar que un análisis teórico permitiría seleccionar una topología específica, se emplea un REG calculado teórico para cada caso (REGC)134
y se observó la variación de las eficiencias de las topologías de interconexión respecto a este término. Las posibles diferencias en las eficiencias radican en que en la práctica se presenta una mayor cantidad de pérdidas que no fueron modeladas en el análisis teórico: Pérdidas por resistencias internas en los capacitores, pérdidas por resistencia de relés de protección, pérdidas por cables de conexión, entre otras. Además, es posible que, de acuerdo al punto de operación de los convertidores, las eficiencias de los mismos se vean afectadas, influyendo en el desempeño de la topología, tal como lo muestra (69). Sin embargo, se puede apreciar que la aproximación realizada en (70) permite analizar el sistema real sin dificultades.
Finalmente, la información obtenida se separó la información de la misma manera que en el análisis vía simulación (periodo de señal y carga pico) y se realizaron las gráficas de la eficiencia Los resultados obtenidos experimentalmente se muestran a continuación, entre la Figura 72, destinada para el caso T=0.25s y la Figura 75 destinada para el caso T=2.50s. De los resultados obtenidos, puede evidenciarse que la relación obtenida en (64), describe muy bien el comportamiento de la relación de energías generadas en las topologías y, por lo tanto, permite afirmar qué topología se presenta con mejor eficiencia de acuerdo a las características de la carga. Por ello, es válido recomendar que para el desarrollo de estas aplicaciones, el sistema sea sometido a simulación, al menos con convertidores estáticos tal como se realizó en el presente trabajo, pero considerando las pérdidas básicas de los convertidores de potencia (activación del MOSFET, activación del diodo y disipación de potencia del inductor).
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Figura 73. Análisis de eficiencia mediante datos experimentales para Ts=0.50s
Figura 74. Análisis de eficiencia mediante datos experimentales para Ts=1.00s
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Evidentemente, se pueden observar algunos saltos en las curvas de eficiencia en varias pruebas, debido principalmente a condiciones adversas propias de la experimentación (sobrecalentamiento de componentes de circuito, perturbaciones no compensadas) o inclusive, errores de procesamiento por parte del sistema de adquisición de datos.
Otros efectos adversos, están asociados con los anchos de banda propios del sistema real en comparación a los anchos de banda de un sistema simulado de manera estática. Al calcular energías durante la fase de equilibrio de la topología (aquella donde se mantiene regulado el SOC), aún se presentan mediciones de señales transitorias, lo cual puede trastornar los resultados y hace poco viable una comparación con una señal en entorno de simulación. Inclusive, en la práctica se realizó la limitación de slew rate pero se evitaba que las señales de control alcanzaran este ancho de banda, para evitar problemas con las estrategias de control, específicamente las análogas, al no disponer de una estrategia de anti-windup implementada. No obstante, los comportamientos de la eficiencia de las topologías pueden aproximarse a lo establecido por REGcsin perder objetividad en el comportamiento del sistema en el laboratorio.
Tal como ocurrió con el estudio vía simulación, en los casos donde el periodo de la señal del perfil de carga se extiende, la Topología Paralela dispone de mejor eficiencia que la Topología Serial, por las razones antes mencionadas. También, se logra apreciar el comportamiento característico de la curva de eficiencia de la Topología Paralela en los rangos medios del ciclo de trabajo de la carga empleada, por lo que es necesario que para otros tipos de perfiles se deba analizar el intercambio energético que ocurre en esta topología y que, como se mencionó con anterioridad, modifica las eficiencias de los convertidores que interactúan con la batería en la Topología Paralela.