inversor usando un panel solar y PWM para prender una radio y un foco con un circuito dimmer

1. Electrónica de Potencia, Universidad de las Fuerzas Armadas ESPE 1
Abstract— This paper describes the design and implementation of
an inverter circuit is indicated with PWM using photovoltaic
panels as a continuing source and the inverter output load will be
a FM radio and a source of 110V 9W power . In this process
further the knowledge acquired in the course of Power
Electronics for correct operation is applied.
Índice de Términos— Electrónica de Potencia, Inversor CC/AC,
Modulación PWM, Paneles Fotovoltaicos
Resumen—En este documento se indicara el diseño y la
implementación de un circuito inversor con modulación PWM
utilizando como fuente continua paneles fotovoltaicos y en la
salida del inversor una carga que será una radio FM y un foco de
110V a 9W de potencia . En este proceso además se aplicara los
conocimientos adquiridos en la asignatura de Electrónica de
Potencia para el correcto funcionamiento del mismo.
I. INTRODUCCIÓN
os conversores o inversores son circuitos que permiten
transformar voltaje continuo a alterno estos funcionan
cerrando y abriendo interruptores generando en el caso
mas simple una onda cuadrada donde su salida sería +Vc,0,-
Vc, estos circuitos se aplican en control de velocidad para
motores, sistemas que necesiten alimentación ininterrumpida e
instalaciones de energía solar fotovoltaica. Como la
implementación necesita saber valores prácticos, se tomara en
cuenta el tiempo de conmutación y el error de
solapamiento.[1] & [2]
II. OBJETIVOS
A. OBJETIVO GENERAL:
ü Diseñar y construir un inversor CC/CA modulado por
PWM para alimentar una carga en alterna con tensión
110V a 60Hz mediante la obtención de energía por
medio de paneles solares.
B. OBJETIVOS ESPECIFICOS:
ü Simular nuestro diseño para poder apreciar su
funcionamiento adecuado.
ü Diseñar nuestro circuito de disparo para las
compuertas de forma que se pueda obtener 60Hz en
la carga.
ü Realizar pruebas de funcionamiento del circuito
midiendo parámetros de voltaje y frecuencia en la
carga.
ü Realizar las pruebas necesarias para verificar el
correcto funcionamiento del inversor de acuerdo con
las especificaciones requeridas.
ü Conectar los paneles solares de forma que nos genere
una adecuada cantidad de V como I y poder tener una
señal de cc lo suficiente para alimentar el circuito
inversor y encender la carga.
III. MARCO TEORICO
A. Inversores CC/CA
Los inversores CC/AC o convertidores CC/AC cumplen la
función de cambiar un voltaje de entrada CC a un voltaje
simétrico de salida en AC, con la magnitud y frecuencia
deseadas. [3]
De forma ideal deberían tener las formas de onda del voltaje
de salida senoidales. Pero en la practica no es así, en los
inversores reales no son senoidales y contienen ciertas
armónicas. El uso de los inversores es muy común en
aplicaciones industriales tales como la propulsión de motores
de AC de velocidad variable, la calefacción por inducción, las
fuentes de respaldo y las de poder, alimentaciones
ininterrumpibles de potencia, etc.
La entrada de CC puede ser una batería, una celda de
combustible, una celda solar fotovoltaica u otra fuente CC.
Las salidas monofásicas típicas son 120V a 60 Hz, 220V a 50
Hz y 115V a 400Hz. Para sistemas trifásicos de alta potencia,
las salidas típicas son 220/380 V a 50 Hz, 120/208 V a 60 Hz
y 115/200 V a 400 Hz. [3]
Los inversores se pueden clasificar básicamente en dos
tipos: inversores monofásicos e inversores trifásicos. Cada
tipo puede utilizar dispositivos de activación y desactivación
controlada (es decir BJT, MOSFET, IGBT, MCT, SIT, GTO)
o tiristores de conmutación forzada. [4]
B. Inversor de Onda Cuadrada
Loa inversores de onda cuadrada también conocidos como
inversor simple, se caracteriza por ser un inversor monofásico
que en su configuración esta formado por cuatro pulsadores.
Cuando los transistores Q1 y Q2 se activan simultáneamente,
el voltaje de entrada Vs aparece a través de la carga. Si los
transistores Q3 y Q4 se activan al mismo tiempo, el voltaje a
través de la carga se invierte, y adquiere el valor –Vs. Aunque
su salida no es sinusoidal puede ser adecuada para algunas
aplicaciones, con una conmutación periódica entre +νcc y -
νcc, genera una tensión con forma de onda cuadrada, si la
carga es RL, la salida seria una señal senoidal. [5]
Kevin Iván Barrera Llanga, Universidad de las Fuerzas Armadas ESPE, Latacunga-Ecuador
Inversor CC/AC a 110V/60Hz utilizando
paneles Fotovoltaicos, con modulación PWM
L

2. Electrónica de Potencia, Universidad de las Fuerzas Armadas ESPE 2
Fig. 1 Esquema de circuito inversor de onda cuadrada
C. Modulación por Ancho de Pulsos
Modulación de ancho de pulso ( PWM) es una técnica
poderosa para controlar circuitos analógicos con salidas
digitales de un microprocesador. PWM se emplea en una
amplia variedad de aplicaciones , que van desde las de
medición y comunicación para el control de potencia y la
conversión.[6]
Una señal analógica tiene un valor que varía continuamente,
con la resolución infinita en el tiempo y magnitud. Una batería
de nueve voltios es un ejemplo de un dispositivo analógico, en
que su tensión de salida no es, precisamente, 9V, cambios en
el tiempo , y puede tomar cualquier valor numeración real. Del
mismo modo , la cantidad de corriente extraída de una batería
no se limita a un conjunto finito de valores posibles. Las
señales analógicas se pueden distinguir de las señales digitales
ya que este último siempre toman sólo valores de un conjunto
finito de posibilidades predeterminadas , como el conjunto.
PWM tiene como objetivo disminuir el factor de distorsión
armónico total de la corriente en la carga. En la modulación
PWM, la amplitud de la tensión de salida se puede controlar
mediante las formas de onda moduladoras, a pesar de la
reducción de los armónicos y el control de la amplitud de
salida los circuitos de control de los interruptores son mucho
más complejos. El control de los interruptores para una salida
sinusoidal PWM requiere una señal de referencia (señal
moduladora) y un señal portadora que controla la frecuencia
de conmutación. [7]& [5]
D. Paneles Fotovoltaicos
La potencia entregada por los paneles fotovoltaicos depende
de la radiación solar incidente, de la temperatura de la celda y
de la resistencia de carga. En general, el fabricante provee
datos operacionales limitados del panel, como la tensión en
circuito abierto Voc, la corriente de corto circuito Isc, los
valores de tensión y corriente para máxima potencia Vmp y
Imp, y los coeficientes de temperaturas de tensión a circuito
abierto y de corriente de corto circuito. Estos datos están
referidos a condiciones estándar de radiación (1000 W/m ) y
temperatura de celda (25 C). Para predecir la performance de
un panel en otras condiciones de operación se elaboraron
distintos modelos físicos. Uno de los modelos más estudiados
es el desarrollado por el Sandia National Laboratory. Este
permite determinar la producción de energía eléctrica para una
determinada carga bajo cualquier condición de radiación solar
y temperatura de celda, pero requiere como datos de entrada
valores del panel que comúnmente el fabricante no provee. Un
modelo más completo y que usa los datos del fabricante está
constituido por cinco parámetros: un generador de corriente,
un diodo, una resistencia serie, una paralelo y un factor a de
idealidad del diodo modificado para un panel, que depende de
la temperatura de celda (Duffie and Beckman, 1991). Puede
ser usado para una celda individual, para el conjunto de celdas
que constituyen el panel o para un arreglo de paneles. [8]
IV. PROCEDIMIENTO
1. Diseñar el circuito inversor por modulación PWM
2. Simular el circuito para poder observar sus gráficas, y
verificar si la frecuencia y voltajes son los correctos.
3. Los paneles solares se consiguieron en Colombia
para poder importarlos al país
4. Obtener los demás materiales a utilizar
5. Se procedió a conectar los paneles solares para
conseguir el voltaje y corriente necesario para el
inversor.
6. Implementar el circuito inversor
7. Realizar las conexiones del transformador para la
obtención de la señal AC
8. Verificar de qué modo podíamos tener la iluminación
del sol los más perpendicular posible.
9. Realizar Pruebas para verificar su funcionamiento.
10. Realizar el respectivo PAPER de la práctica con el
formato previamente establecido por la IEEE.
V. MATERIALES
v Foco de 9 w
v Radio de Alterna
v Protoboard
v Cabes
v Multímetro
v Transformador 110V/60Hz a 12V-0-12V / 2A
v Transistores TIP122, 2N3055
v Triac
v CI 555
v Flip-Flop 74L873
v Paneles Solares de 6v, 330 mA
v Estructura para paneles solares
v Batería
VI. SIMULACIÓN EN PROTEUS
A. Regulador de voltaje para el circuito
Fig. 2 Regulador a 5V

3. Electrónica de Potencia, Universidad de las Fuerzas Armadas ESPE 3
B. Circuito PWM
Fig. 3 Control PWM
C. Circuito de disparo para los interruptores.
Fig. 4 Circuito de disparo para el inversor de medio puente
D. Circuito de control de la carga
Fig. 5 Circuito de control de la carga
VII. CONCLUSIONES
A. Al utilizar energías alternativas para realizar el inversor,
se puede decir que funciona igual que una fuente de CC, con
la diferencia que, este puede utilizarse cuando en el día los
valores de intensidad y voltaje sean los óptimos para que se
realice la inversión a AC.
B. Mediante los NE555, se pudo realizar la modulación
PWM, la misma que nos permite disminuir la distorsión
armónica de la corriente que se encuentra en la carga.
Siempre y cuando exista una señal de referencia y una señal
portadora que controlen la frecuencia de conmutación.
C. El inversor implementado en este circuito posee un menor
tiempo de conmutación entre sus interruptores, ya que se
utilizan transistores TIP122 y 2N3055 disminuyendo el error
de solapamiento y el tiempo muerto existente en el circuito,
además de usar un flipflop para controlar los mismos, y la
señal de reloj generada por el control PWM.
VIII. APÉNDICES
Electrónica de potencia
Inversores CC/AC
Inversores de onda cuadrada
Modulación por Ancho de Pulsos
Panel Fotovoltaico
IX. RECONOCIMIENTOS
El autor agradecen las contribuciones de la Ing. Rosa Granizo por su
trabajo impartido en clases sobre el tema de inversores, modulación
PWM y circuitos de Potencia.
REFERENCIAS
[1] E. Lorenzo and G. L. Araujo, Electricidad solar: ingeniería de los
sistemas fotovoltaicos, 1994.
[2] J. C. H. Lozada, J. C. G. Robles, and A. C. Contreras,
"INVERSORES DE GIRO PARA MOTORES A PASOS EN
DISPOSITIVOS DE LÓGICA PROGRAMABLE."
[3] A. V. Ramos, P. S. Castro, J. J. J. Rodríguez, and I. C. Cantón,
"Convertidores CD-CA."
[4] G. L. Mejía, G. M. Jiménez, A. M. Delgado, and D. U. Campos-
Delgado, "Diseño Didáctico de Convertidores CD-CA (a): Inversor
Monofásico."
[5] S. M. García and J. A. G. Gil, Electrónica de potencia:
componentes, topologías y equipos: Editorial Paraninfo, 2006.
[6] M. Barr, "Pulse width modulation," Embedded Systems
Programming, vol. 14, pp. 103-104, 2001.
[7] D. W. Hart, Electrónica de potencia: Pearson Educación, SA,
2001.
[8] M. Gea, M. C. C. Montero, and C. Cadena, "Simulación eléctrica y
térmica de paneles fotovoltaicos," Revista Avances en Energías
Renovables y Medio Ambiente, vol. 10, pp. 02-39, 2006.
X. BIOGRAFÍA
KEVIN IVAN BARRERA LLANGA NACIÓ EN LA
CIUDAD DE RIOBAMBA EL 26 DE MAYO DE
1994. ESTUDIO EN LA ESCUELA PENSIONADO
AMERICANO, SUS ESTUDIOS SECUNDARIOS SE
REALIZARON EL COLEGIO SAN FELIPE NERI Y
EN ESTOS MOMENTOS SE ENCUENTRA
CURSANDO EL SEXTO NIVEL DE INGENIERÍA
MECATRÓNICA.

4. Electrónica de Potencia, Universidad de las Fuerzas Armadas ESPE 4
ANEXOS
A. Paneles solares.
Fig. 6 Paneles solares acoplados a su estructura
Fig. 7 Interconexión de los paneles solares.
B. Circuito del inversor
Fig. 8 Circuito inversor PWM
C. Oscilador
Fig. 9 Oscilador de control

5. Electrónica de Potencia, Universidad de las Fuerzas Armadas ESPE 5
D. Transformador elevador
Fig. 10 Transformador 110V/60 a 12V/2A
E. Cargas aplicadas.
Fig. 11 Cargas aplicadas, radio reloj y foco.