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Electrnica de Potencia

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Resumen En el presente documento se detalla el diseo e implementacin de un circuito inversor de corriente continua a

corriente alterna, que trabaja desde un voltaje de 12V DC y lo

eleva a 120 AC. El circuito inversor es un PMW de medio

puente, y la carga que utiliza es un foco de 110V 20W encendido al mismo tiempo que una radio-grabadora. Los 12

voltios de alimentacin de corriente continua se obtienen de un

conjunto de paneles fotovoltaicos conectados entre s que

captan la energa de la radiacin solar.

Trminos clave Inversor, CC, CA, PMW, panel solar,

energa.

I. INTRODUCCIN

a luz solar proporciona una fuente de energa renovable

y de fcil obtencin mediante el aprovechamiento de la

radiacin que proviene del sol. Esta energa puede

aprovecharse por medio de celdas fotovoltaicas que la

transforman en energa elctrica.

Estas celdas, tambin conocidas como paneles transforman

la luz y el calor provenientes del sol en una determinada

cantidad de corriente continua, la cual se puede transformar

en corriente alterna en caso de ser necesario. La conversin

de DC a AC se realiza mediante circuitos inversores capaces

de convertir la corriente continua en corriente alterna.

La fuente de energa en este proyecto son 12 paneles solares

conectados en serie y en paralelo entre s, lo cual entrega un

voltaje que se regula a 12V DC con una corriente mxima

de 300mA que depende de la intensidad de la iluminacin

del sol.

El correcto funcionamiento del inversor depender de la

cantidad de corriente que generen los paneles. Esto est

condicionado por los factores ambientales a los que estn

expuestos los paneles, entregando su mximo rendimiento

cuando el sol se encuentra en su punto ms fuerte.

II. OBJETIVOS

OBJETIVO GENERAL:

Disear y construir un inversor DC/AC PWM

alimentado por energa solar, capaz de

proporcionar energa elctrica a un foco de 110V

20W y a una radio al mismo tiempo.

OBJETIVOS ESPECIFICOS:

Construir una matriz de paneles fotovoltaicos con

las conexiones adecuadas para tener una fuente que

proporcione valores de voltaje y corriente ptimos.

Observar y medir los valores de voltaje y corriente

entregados por los paneles en distintas condiciones

de iluminacin y medio ambiente

Simular el diseo para observar su funcionamiento

ideal.

Realizar pruebas al circuito en funcionamiento

observando su comportamiento y midiendo

parmetros de corriente, voltaje y frecuencia en la

carga.

III. MARCO TERICO

A. Energa solar

La energa solar fotovoltaica es la energa que resulta de la

conversin directa de la luz solar en electricidad. La energa

solar se ha convertido en una atractiva fuente de energa

renovable para aplicaciones de electrificacin rural y

telecomunicaciones pues ofrece una solucin inmediata a las

necesidades primarias de electricidad para iluminacin y

comunicacin evitando la costosa extensin de la red

elctrica. [1]

INVERSOR DE MEDIO PUENTE CC CA PMW ALIMENTADO CON ENERGA SOLAR

Pazmio Oate Esteban Josu

tebocan_1994@hotmail.com

Sexto Mecatrnica paralelo B

L

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B. Panel fotovoltaico

La radiacin solar puede ser transformada directamente en

energa elctrica por medio de paneles fotovoltaicos,

tambin llamados paneles solares, los cuales son fabricados

con materiales semiconductores puros dopados con

cantidades diminutas de otros elementos. Varios materiales

semiconductores pueden emplearse, pero se prefiere el

silicio por razn de abundancia, costo y rendimiento.

Una celda solar tpica est formada por dos capas delgadas

de silicio, cada una de ellas con un terminal positivo y un

terminal negativo incorporado cuyo extremo sale al exterior.

En una de las capas, algunos de los tomos de silicio estn

reemplazado por un tomo de fsforo, formando un material

tipo N; y en la otra, por tomos de boro formando un

material tipo P. La unin entre dos capas crea una diferencia

de potencial. La luz solar o visible induce a los electrones

libres a moverse por el alambre de la capa tipo N hacia la

capa de tipo P, con lo que se produce una corriente elctrica.

Cada celda de silicio produce cerca de 0.58 voltios y varias

celdas pueden conectarse elctricamente en forma de serie

y/o paralelo, para formar un mdulo con mayor voltaje o

mayor corriente. [2]

En la figura 1 se puede apreciar un esquema que muestra el

flujo de energa y los elementos que forman parte de un

sistema generador de energa elctrica con paneles solares.

Fig. 1. Esquema de un sistema fotovoltaico.

Las celdas fotovoltaicas entregan energa elctrica de

corriente continua, por lo que es necesario un inversor de

corriente para poder utilizar este tipo de energa en

dispositivos que requieran una alimentacin de corriente

alterna.

C. Conexin entre paneles

Para crear un mdulo formado por varios paneles es

necesario interconectarlos a todos entre s. Existen dos tipos

de conexiones entre paneles: en serie y el paralelo. Es

posible mezclar ambos tipos de conexiones en el mismo

mdulo para adecuarse a las necesidades del sistema a

alimentar.

En una conexin de paneles en serie, la corriente mxima es

igual a la mxima proporcionada por uno de ellos, mientras

que en una conexin en paralelo, la corriente del sistema

est dada por la suma de las corrientes de cada panel. [3]

En la figura 2 se muestran las conexiones en serie y en

paralelo entre paneles, y el comportamiento de la corriente

en cada una de ellas.

Fig. 2. Conexiones de paneles en serie y en paralelo.

D. Inversores

La funcin es cambiar un voltaje de entrada cd a un voltaje simtrico de salida de CA, con la magnitud y frecuencia deseada [4]

Los inversores nos generan corriente AC a partir de una fuente en

DC, en la figura 3, podemos observar como varan cada transistor

en medio ciclo es decir, si M1 y M2 conduce en medio ciclo y M3

y M4 conducen en la otra mitad del ciclo obtendremos una seal

AC cuadrada. [5]

Fig. 3. Convertidor cd-ca monofasico

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E. Inversor de Onda Cuadrada

Genera una tensin de salida de forma de onda cuadrada,

cabe recalcar que la forma de onda de la corriente de salida

depende nicamente de los componentes de la carga. [6]

Fig. 4. Formas de Onda de la corriente en estado permanente de una carga

R-L

F. Inversor de medio puente

La figura 5 muestra la configuracin de un inversor de

medio puente, llamado as debido a que solo dispone de dos

interruptores los cuales conmutan de manera que se puede

obtener una salida AC.

Fig. 5. Inversor de medio puente.

El circuito consta de dos interruptores, cuando se enciende

el transistor durante un tiempo , el voltaje instantneo a travs de la carga es . Si el transistor se enciende durante un tiempo , el voltaje en la carga ser . El circuito de disparo se debe disear de tal forma que y no se enciendan al mismo tiempo.[7]

A continuacin en la figura 6 se puede observar las formas

de onda de voltaje y corriente a la salida del inversor, cabe

destacar que las ondas mostradas son ideales, en la prctica

suele presentarse interferencias que presentan

deformaciones.

Fig. 6. Formas de onda del inversor de medio puente.

G. Modulacin por ancho de pulsos.

La modulacin por anchura de pulsos o abreviado PWM

tiene como objetivo disminuir el factor de distorsin

armnico total de la corriente en la carga. En la modulacin

PWM, la amplitud de la tensin de salida se puede controlar

mediante las formas de onda moduladoras, a pesar de la

reduccin de los armnicos y el control de la amplitud de

salida los circuitos de control de los interruptores son mucho

ms complejos. El control de los interruptores para una

salida sinusoidal PWM requiere una seal de

referencia(seal moduladora) y un seal portadora que

controla la frecuencia de conmutacin.[4, 6]

A continuacin analizaremos el funcionamiento de la

modulacin PWM para el circuito de la figura 7.

Fig. 7. Inversor de modo de conmutacin de una pata.

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Como ya se haba mencionado, el disparo de los

interruptores depende de dos seales, una moduladora y otra

portadora, las cuales se muestran en la figura 8, as como su

componente de frecuencia fundamental.

Fig.8. a) Formas de onda de las seales moduladora y

portadora, b) Componente de frecuencia fundamental.

La frecuencia de onda triangular establece la frecuencia de

conmutacin del inversor, la seal moduladora es una forma

de onda sinusoidal con el fin de proporcionar una forma de

onda de salida con menos armnicos. Para comprender

mejor su funcionamiento es necesario entender los

parmetros involucrados en la modulacin.

Existen dos frecuencias que son fundamentales en la

modulacin PWM, el primero es la frecuencia de

conmutacin de la seal portadora y la frecuencia moduladora establecida por la seal de control la cual modula la relacin de trabajo de los interruptores. La

relacin de modulacin de amplitud se define como:

(1)

Donde es la amplitud pico de la seal de control, es importante destacar que mientras se mantenga en el rango de 0 a 1, la modulacin PWM trabajar en un rango

lineal, si supera la unidad se producir una sobremodulacin que generar armnicos indeseados. Otro

parmetro importante es la relacin de modulacin :

(2)

Al aumentar la frecuencia de la seal portadora, aumentara

la relacin de modulacin la cual tambin aumenta la

frecuencia a la que se producen los armnicos. [5]

La figura 8b muestra la conmutacin de los interruptores, la

cual es controlada por la seal portadora de la siguiente

manera:

IV. MATERIALES

Foco de 110V - 100 w Radio alimentada por AC Protoboard Cables Transformador 110V a 12V - 2A Transistores TIP122, 2N3055 Triac CI 555 Flip-Flop 74L873 Paneles Solares 6V 300mA Multmetro Madera de balsa

V. PROCEDIMIENTO

1. Realizar el diseo del circuito inversor por

modulacin PWM.

2. Simular el circuito para verificar su funcionamiento

y que la onda de salida sea la requerida.

3. Armar dicho circuito en la protoboard.

4. Construir con madera la estructura sobre la cual se

van a ubicar los paneles solares.

5. Colocar los paneles solares en la estructura

asegurndose que estn bien sujetados.

6. Se procede realizar las conexiones de los paneles

solares; se realiza parejas de paneles conectados en

serie, y a cada par se lo conecta en paralelo.

7. Realizar las conexiones entre la estructura de

paneles, el circuito inversor, el transformador y la

carga.

8. Probar el funcionamiento el circuito a plena luz del

da, cuando el sol se encuentre en su punto ms alto

y entregue la mayor cantidad de energa.

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VI. DIAGRAMAS DEL CIRCUITO

A. Regulador de voltaje de entrada

Fig. 9. Regulador de voltaje

B. Circuito generador de pulsos

Fig. 10. Control PWM

C. Circuito de disparo de los interruptores

Fig. 11. Circuito de disparo

D. Control de luminosidad de la carga

Fig. 12. Circuito Dimmer

VII. CONCLUSIONES

Se demostr que es posible energizar una carga que

requiera corriente continua con un mdulo de paneles

fotovoltaicos acoplados a un circuito inversor DC AC.

Al tratarse de un inversor de medio puente, solo se

necesit dos transistores que actan como interruptores.

El flujo de energa proveniente de los paneles debe ser

ininterrumpido para que el circuito inversor pueda

alimentar a la carga sin problemas.

La potencia entregada por los paneles fotovoltaicos

depende de la cantidad de radiacin solar que reciban, la

temperatura a la que se encuentren sus celdas y la

resistencia de la carga conectada.

En caso de no haber la suficiente radiacin solar, los

paneles fotovoltaicos no entregan la corriente necesaria

para el funcionamiento de la carga.

Al conectar los paneles en serie, la corriente se mantiene

y los voltajes de cada uno se suman.

Al conectar los paneles en paralelo, las corrientes de cada

uno se suman y el voltaje se mantiene.

El flujo de potencia ocurre desde el lado de DC hacia el

lado de AC.

REFERENCIAS

[1] J. E. Gmez, "Energa solar fotovoltaica," 2005.

[2] S. Nandwani, "Energa solar. Conceptos bsicos y su

utilizacin," Universidad Nacional, Heredia (Costa Rica). Jun, 2005.

[3] H. L. Gasquet, Conversin de la luz solar en Energa Elctrica:

Manual Terico y Prctico sobre los sistemas Fotovoltaicos: Gasquet, 1997.

[4] D. W. Hart, Electrnica de potencia: Pearson Educacin, SA,

2001. [5] N. Mohan, T. M. Undeland, and W. P. Robbins, Electrnica de

potencia: Convertidores, aplicaciones y diseo: McGraw-

Hill/Interamricana, 2009.

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[6] M. Rashid, "Power Electronics Handbook: Devices, Circuits,

and Applications, Chapter 17. Multilevel Power Converters," ed:

Academic Press, 2007. [7] M. H. Rashid, M. H. R. V. Gonzlez, and P. A. S. Fernndez,

Electrnica de potencia: circuitos, dispositivos y aplicaciones:

Pearson Educacin, 2004. [8] A. F. L. Villamizar, J. L. D. Rodrguez, and A. P. Garca,

"Minimizacin de la distorsin armnica de una modulacin

PWM con algoritmos genticos," ITECKNE, vol. 8, 2011.

VIII. ANEXOS

A. Circuito inversor armado en el protoboard

Fig. 13. Inversor CC CA PMW

B. Circuito oscilador del foco

Fig. 14. Circuito Dimmer

C. Paneles solares.

Fig. 15. Mdulo de paneles solares en construccin

D. Carga del circuito

Fig. 16. Radio y foco encendidos con AC

E. Proyecto en funcionamiento

Fig. 17. Paneles solares alimentando al circuito inversor