articulaciÓn y puesta en marcha de un sistema...

Preparación de Artículos revista VISIÓN ELECTRÓNICA: algo más que un estado sólido Fecha de envío: 26 de enero de 2017

Fecha de recepción: Fecha de aceptación:

ARTICULACIÓN Y PUESTA EN MARCHA DE UN SISTEMA COMERCIAL

DE AIRE ACONDICIONADO A PARTIR DE UNA FUENTE DE TENSIÓN

D.C

ARTICULATION AND STARTUP OF A COMMERCIAL AIR CONDITIONING

SYSTEM FROM AN ENERGY SOURCE OF D.C VOLTAGE

Johan S. Pinzón1 Andrés D. Rodríguez.2** Frank N. Giraldo3***

Resumen: El presente artículo presenta el proceso involucrado en el diseño y desarrollo de

un sistema de potencia capaz de alimentar un equipo de aire acondicionado comercial de

una potencia aproximada a los 1000 Vatios. Dicho sistema ha sido posible mediante el

diseño e implementación de un inversor de tensión, cuya topología y construcción le permite

trabajar eficazmente en las condiciones deseadas. Dado que el dispositivo emplea en su

funcionamiento corrientes altas y debido al costo y riesgo inherentes al trabajar con estas, se

opta por emplear la técnica de “inversión multinivel” o inversor por niveles; esto con el fin de

evitar al máximo cortocircuitos producidos debido a retardos en los tiempos lógicos de las

señales de sincronía o a conexiones erróneas en la fase de prueba. Como resultado de este

proceso se obtiene un dispositivo capaz de alimentar a partir de una fuente de tensión D.C -

en este caso, una batería- un rango de sistemas de aire acondicionado bastante cómodo y

1 Estudiante de Tecnología en electrónica de la Universidad Distrital Francisco José de Caldas - Facultad Tecnológica. Bogotá - Colombia. Correo electrónico e-mail: [email protected]

2** Estudiante de Tecnología en electrónica de la Universidad Distrital Francisco José de Caldas - Facultad Tecnológica. Bogotá - Colombia. Correo electrónico e-mail: [email protected]

3*** Docente de Tecnología en electrónica de la universidad distrital Francisco José de Caldas Facultad tecnológica, Magíster en Ingeniería Automatización Industrial. Bogotá. Correo electrónico e-mail: [email protected]

mailto:[email protected]





versátil para la empresa interesada en adquirir este dispositivo, dado que el rango de

potencias de los sistemas de aire acondicionado “tipo ventana” para los cuáles se emplearía

este dispositivo oscila entre los 500W - 1000W de potencia. Además, dicho dispositivo

cuenta con un sistema de protección de sobrecorriente para evitar daños a sí mismo o a los

sistemas que alimente. Pese a la especificidad del problema que dio origen a este proyecto,

el producto final puede trascender a otras aplicaciones en diversos campos, tales como

energías renovables, car audio, etc.

Palabras clave: Tensión D.C y A.C, distorsión armónica, inversor de voltaje, inversión por

niveles, Transformador, Filtro.

Abstract: The present article presents the process involved in the design and development of

a power system capable of supplying commercial air conditioning equipment with a power of

approximately 1000 Watts. This system has been possible through the design and

implementation of a voltage inverter, whose topology and construction allows it to work

effectively under the desired conditions. Since the device uses high currents and due to the

cost and risk inherent in working with them, it is decided to use the technique of "multilevel

inversion" or inverter by levels; This in order to avoid to the maximum shortages produced

due to delays in the logical times of the sync signals or to erroneous connections in the test

phase. As a result of this process a device capable of supplying from a DC voltage source - in

this case, a battery - a range of air conditioning systems is quite comfortable and versatile for

the company interested in acquiring this device, since The power range of "window type" air

conditioning systems for which this device would be used ranges from 500W - 1000W of

power. In addition, this device has an overcurrent protection system to prevent damage to



itself or to the systems it feeds. Despite the specificity of the problem that gave rise to this

project, the final product can transcend other applications in various fields, such as renewable

energy, car audio, etc.

Key Words: D.C and A.C voltage, harmonic distortion, voltage inverter, inversion by levels,

transformer, filter.

1 Introducción

Los inversores de voltaje son utilizados para la conversión de voltaje en dispositivos que

funcionan con corriente alterna y son alimentados mediante corriente continua, estos

dispositivos actualmente se implementan en sistemas de generación de energía renovable

como lo es el uso de celdas fotovoltaicas o simplemente alimentación de equipos mediante

baterías. En cuanto a su diseño, los inversores de voltaje se pueden definir en dos tipos

dependiendo la calidad de la señal de salida, los primeros son los de onda sinusoidal

modificada. Estos inversores entregan una señal similar a una onda cuadrada la única

diferencia es que en este caso la onda dura un tiempo en cero antes de cambiar de positivo o

negativo. El segundo tipo de inversores se denomina de onda sinusoidal pura que, como su

nombre lo indica, entregan una señal con una distorsión armónica muy pequeña, lo que le

permite ser usado en todo dispositivo eléctrico a diferencia del anterior que por su forma de

onda no es posible su uso en ciertos tipos de equipos.

Para el sistema implementado se utilizó un tipo de circuito conocido como convertidor

multinivel, que se puede considerar como un seccionador de tensión, en el cual la señal

alterna de la salida se forma a partir de diferentes niveles de tensión continua de valor más

pequeño al de la señal alterna de salida, que se obtienen con la apertura de los diferentes



interruptores que presenta el circuito, en estos circuitos los interruptores son transistores que

se accionan según la programación que se haya realizado.

2 Descripción del problema

El presente proyecto nace como respuesta al deseo de una empresa -dedicada a brindar

soluciones en el sector del aire acondicionado- de incluir en su portafolio de servicios la

implementación de sistemas de aire acondicionado en vehículos automotores,

mayoritariamente en aquellos vehículos usados en el sector petrolero. En vista de que estos

equipos de aire acondicionado requieren de una alimentación por medio de corriente alterna

y que, además, consumen una potencia considerable, fue necesario diseñar un sistema que

permitiera implementar dichos equipos de aire acondicionado en vehículos cuya única fuente

de energía eléctrica disponible es una batería o un banco de estas. Las figuras 1 y 2

muestran el tipo de elementos a alimentar junto con algunas de sus características.

Figura 1: Aire tipo ventana a alimentar con el inversor. [1]



Figura 2: Rango de consumo de los aires acondicionados existentes actualmente en la

empresa interesada en el dispositivo.

3 Metodología

3.1 Convertidor multinivel con enclavamiento por diodos

El convertidor multinivel con enclavamiento por diodos es el tipo de configuración más

estudiado y aplicado de todas las topologías que existen. En este circuito la tensión dc se

divide en n niveles por medio de los condensadores, siendo el valor de la tensión de cada

condensador y la tensión bloqueo de cada interruptor igual a una cuarta parte la tensión dc

de entrada. A los efectos de que cada columna sea capaz de forzar la tensión en su salida,

los dispositivos deben controlarse de a pares complementarios. Esto significa que existirán

(N-1) señales de comando para cada columna, (S1, S2, S3... S(N-1)) y sus complementos

(S1n, S2n, S3n y S(N-1)n) La Tabla 1 muestra la tensión de salida de la columna en función

de las señales de comando de los interruptores. La figura 1 muestra el esquema usado en un



inversor de tres niveles.

Figura 3. Convertidor de 3 niveles y lógica de comando de interruptores. [2]

El estado de conducción de los dispositivos se denota mediante un "1" y un "0" en el gate de

cada uno de ellos indicando que el dispositivo se encuentra encendido y apagado,

respectivamente. Para cada combinación de conmutación, la activación de los interruptores

activos actúa sobre la polarización de los diodos de enclavamiento y de rueda libre

definiendo un único camino de circulación para la corriente de carga, así como un único valor

de tensión Va0. Los dispositivos a través de los cuales circula la corriente de carga se indican



en color verde claro. Aquellas combinaciones que no aparecen en la tabla no son válidas

pues dan lugar a tensiones Va0 que dependen del sentido de circulación de la corriente de

salida is, generan cortocircuitos en los condensadores del bus o bien producen tensiones de

bloqueo excesivas sobre los dispositivos de conmutación.

Tabla 1. Señales de comandos de los interruptores y tensiones de columna. [3]

Como se puede apreciar de la Tabla 1 sólo existe una combinación de conmutación de

columna para la síntesis de cada valor de tensión en su salida, es decir que el sistema no

posee redundancia en las tensiones de columna.

Con respecto a las transiciones entre un estado de conmutación y el siguiente puede decirse

que el enclavamiento de los transistores internos es unilateral, lo cual requiere un cuidado

especial en las transiciones entre estados de conmutación sucesiva. Esta restricción afecta

en el efecto de limitación que ejercen los diodos de enclavamiento a las tensiones de los

nodos intermedios del bus de corriente directa. Sin embargo, dada la topología de la

columna, sólo los dispositivos que se encuentran en los extremos superior e inferior se

enclavan en forma directa, mientras que los dispositivos internos sufren enclavamiento

indirecto. Esto determina que, ante variaciones de las tensiones de columna en más de un

nivel (salto múltiple), las tensiones de bloqueo de los interruptores pueden exceder el valor

permitido de voltaje durante la conmutación. [1][2]



El diagrama de bloques mostrado en la figura 2 muestra el proceso general empleado en la

fabricación del inversor siguiendo la metodología antes expuesta. En este es claro cómo el

proceso convierte la energía de la batería cuya forma es en tensión D.C a una salida en

tensión A.C.

Las etapas son como se muestra a continuación:

Figura 4. Diagrama de bloques de la estructura funcional del dispositivo. Fuente: Autor

Batería: La batería funciona como entrada. Esta debe poseer la capacidad suficiente en

términos de potencia. Dicha potencia está estrechamente relacionada con las corrientes y

tensiones que demanda el inversor. Se empleó por tanto una batería seca, la cual cuenta con

la suficiente carga y capacidad de carga como para mantener en funcionamiento estable el

dispositivo. Los cálculos para escoger la batería fueron como se muestran en (1).

𝑊 = √2 ∗ 𝑊 ∗ 𝑊 (1)

Luego, conociendo el valor de la tensión de entrada y sabiendo que es en esta etapa, antes

Batería (fuente D.C)

Inversor multinivel

Filtro

Transformador (Elevador de voltaje)

In

out

Fuente A.C



de elevar el voltaje, donde habrá mayor consumo de corriente, se reemplazan los valores

conocidos de (1) en (2)

1000 = √2 ∗ 12 ∗ 𝑊

𝑊 = (1000√2)/12 (2)

𝑊 = 117,85

Así, se resolvió escoger una batería con una corriente aproximada a la calculada en (2) con

el fin de brindar una autonomía bastante conveniente a máxima potencia.

Inversor multinivel: Se implementó un inversor de 3 niveles, del cual se esperaba una onda

como se muestra en la figura 5.

Figura 5. Señal de salida del inversor 3 niveles. Desempeño teórico de la señal. [3]

Esta era la onda que se pretendía generar como base de trabajo y funcionamiento. Luego del

diseño del circuito, se obtuvo una señal bastante acorde con lo requerido, tal como se

muestra en la figura 6.



Figura 6: Generación de la onda A.C. Nótese la escala de tiempo por división en el

osciloscopio, es de algo más de 4 divisiones, cada una de 4.18ms, lo que equivaldría a

un periodo de señal de 4*4.18= 16.72ms, tiempo para el cual la onda contaría con una

frecuencia de 59,81 Hz, lo cual es un valor muy aproximado al objetivo: 60Hz.

Entretanto, se opta por implementar este sistema por su menor cantidad recursos necesarios

en su funcionamiento, ya que para tener una onda sinusoidal casi perfecta se requieren

muchos más niveles de voltaje y esta onda podría ser útil a la hora de cumplir el objetivo de

accionar el sistema de aire acondicionado; Sin embargo, para mejorarla se hace la etapa de

filtrado.

Para esta etapa del sistema se utilizaron transistores tipo mosfet de potencia de referencia

IRFP460, los cuales soportan una corriente en la terminal drain de 13A, que nos permite

trabajar sin problemas de exceder en la corriente de trabajo ya que el devanado secundario

del transformador que se encarga de la elevación de voltaje trabaja a 8A.[4]



Además, el sistema cuenta con una etapa de protección a la parte encargada de la lógica

digital.

Dicha protección es mediante optoacopladores, los cuales aíslan eléctricamente la parte

lógica de la potencia, tal como se muestra en el figura 7.

Figura 7: Aislamiento eléctrico de la parte lógica del dispositivo por medio de

optoacopladores. Fuente: Autor

Filtro: El filtro a la frecuencia de la señal (60 Hz) brinda la posibilidad de obtener una señal

más fidedigna, útil para ser empleada en la alimentación de otros equipos luego del

proceso de elevación de tensión. La figura 4 muestra el esquema del filtro acoplado a la



salida del inversor.

Figura 8. Diagrama circuital del filtro empleador. Fuente: Autor

Elevador de voltaje: En esta etapa se eleva el voltaje de 24V a 120 V. Para este propósito

se emplea un transformador de mediana potencia, el cual posee en el devanado de alta

corriente un cable de calibre 8 wg cuyos valores de operación máxima están en 40 A y 3000

W, lo cual es suficiente para poder soportar la potencia demandada por el sistema de aire

acondicionado al cual alimentará. Dicho transformador fue recuperado de un dispositivo de



potencia abandonado. Así lucía al momento de la recuperación (figura 9).

Figura 9: Transformador al momento de la recuperación. Dicho transformador tiene en

el devanado de alta corriente un calibre medido igual 8awg. Nótese la diferencia de

tamaños entre los cables de alta corriente y los de alto voltaje. Fuente: Autor.



4 Resultados

La articulación y acople de la totalidad de las etapas generó un circuito inversor con una

fidelidad de onda bastante buena, como se puede observar en la figura 10.

Figura 10. Forma final de la señal a la salida del inversor. Fuente: Autor

Se obtiene entonces a la salida del dispositivo uno onda senoidal de 60Hz con un ligero

desfase. El resultado es bueno y obedece a los objetivos propuestos. Se pueden comparar

las diferentes formas de onda luego de los procesos de adecuación de la señal, tal como

puede apreciarse en las figuras 11 y 12 en las que es clara la mejoría de la señal al avanzar

el proceso.



Figura 11. Forma primitiva de onda. Fuente: Autor



Figura 12: Forma de onda final. Es posible apreciar la exactitud de la señal, generada a

una frecuencia de 59.9 Hz. Fuente: Autor

Dado que el objetivo implica alimentar un sistema de aire acondicionado mediante este

dispositivo, la validación total de los resultados estaría sujeta a la operación del inversor

alimentando un sistema de aire acondicionado comercial. El grupo de trabajo está a la

espera de realizar dicha prueba final en la segunda semana de febrero, fecha en la cual la

empresa para la cual se diseña y construye el dispositivo facilitará algunos equipos para

realizarles esta prueba.

5 Mejoras a futuro

Dado que el sistema puede ser manipulado por personas con pocos o ningún conocimiento

de electrónica, sería apropiado mejorar la comunicación de la máquina con el operador en



términos de la información que ésta le suministre a quien la use. Así, sería una mejora

apreciable el incorporar medidores de tensión y de corriente, así como un indicador de la

potencia que está entregando el inversor junto con un mensaje, tal vez en forma de etiqueta,

que le informe al operario cuál es el límite sugerido de potencia del inversor para que este

pueda monitorear el consumo de potencia del mismo y en consecuencia, acatar esta

instrucción de uso. Así se prevendrán daños por sobrecargar el dispositivo en términos de

potencia.

6 Conclusiones

- El inversor de tipo multinivel es una muy buena opción a elegir a la hora de decidir qué

tipo de inversor hacer cuando se trabaja con una potencia elevada; esto dada la

naturaleza de su diseño, mediante el cual se corren menos riesgos de dañar los

dispositivos de conmutación por cortocircuitos. Además, presenta la flexibilidad para el

diseñador en virtud de que esgrime las posibilidades tanto de fidelizar la señal

mediante etapas de filtrado, o bien, de obviar dicha etapa y elaborar un inversor de

onda modificada.

- Un equipo como el de aire acondicionado para el cual fue diseñado este inversor no

necesita una onda de voltaje senoidal pura en su alimentación sino que, más bien,

puede trabajar con una señal de voltaje senoidal modificada, lo que representó una

ventaja a la hora de decidir si debería realizarse o no una etapa de filtrado, en tanto

que quedó esta decisión sujeta al diseñador, sabiendo que no es una condición

necesaria para cumplir el objetivo general ni los específicos (los cuáles se centran

estrictamente en posibilitar el funcionamiento del dispositivo), sino más bien, un



elemento que le daría un valor agregado al producto. Luego, el diseño del filtro fue un

valor agregado al producto final.

- Debido a que la fidelidad de la señal depende de los niveles que constituyan el

inversor multinivel, a mayor fidelidad deseada más complejo será el algoritmo a

realizar y se empleará una cantidad mayor de componentes, elevando así la dificultad

y los costos económicos del dispositivo. Luego, el diseñador puede valerse de un filtro

para mejorar la forma de onda de su señal. Nuevamente, la complejidad del filtro irá

en dependencia de la cantidad de niveles del inversor. Sin embargo, para no incurrir

en costos adicionales, es recomendable realizar una etapa de filtrado si se quiere

atender al objetivo doble de mejorar la forma de onda y no incurrir en gastos más

elevados.

- Debido a que el transformador fue reciclado y adecuado a las necesidades de este

dispositivo, éste presentó unas pérdidas de potencia, las cuales son debidas a

algunos pequeños espacios en algunas de sus placas, lo que generó que la potencia

teórica resultará en que este se calentara, por lo que es mejor no forzar el dispositivo

al máximo en aras de conservar el transformador.

Referencias

[1] “aire acondicionado residencial: Refresca tu hogar” [Online]. Available:

https://www.lg.com/co/aire-acondicionado-residencial/lg-W051CA.

[2] S. A. Verne, “Control Predictivo del Convertidor Multinivel con Enclavamiento

https://www.lg.com/co/aire-acondicionado-residencial/lg-W051CA



por Diodos y sus Aplicaciones en Media Tensión,” Universidad Nacional de La Plata,

2012.

[3] D. Hernández Martínez, “control digital para convertidor multinivel alimentado

con energía solar,” Universidad de las Américas, Puebla, 2006.

[4] “Power MOSFET IRFP460” [Online]. Available:

http://www.vishay.com/docs/91237/91237.pdf

articulaciÓn y puesta en marcha de un sistema...

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