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En el presente documento se detalla el diseño e implementación 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 alimentación de corriente continua se obtienen de un conjunto de paneles fotovoltaicos conectados entre sí que captan la energía de la radiación solar.
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UNIVERSIDAD DE LAS FUERZAS ARMADAS ESPE-L
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
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