UTC. Electrónica de Potencia. Diseño y construcción de un inversor monofásico. 2015

DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN INVERSOR MONOFÁSICO APLICABLE EN PANELES SOLARES DE BAJA POTENCIA.

Estudiantes de Sexto Ingeniería Eléctrica.E-mail: www.utc.edu.ec

Abstract -- This paper presents a way to get electricity for low-power devices that are in a common housing this will be done through the use of solar panels. The energy obtained will be directed to a single phase inverter circuit topology half bridge which converts direct current to alternating signal through modeling of pulse width (PWM) that will be used to convert to sinusoidal signal. This circuit will provide a voltage of 110V single phase approximately that will be used to operate a small resistive load and a radio-recorder.

Keywords-- modulation, inverter, AC signal, output voltage, transistors, semiperiod.

I. INTRODUCCIÓN

L objetivo principal de un inversor es generar una tensión alterna a partir de una tensión

continua. La tensión continua será proporcionada a partir de cuatro paneles solares de 6 a 9V voltios cada uno de una intensidad de 100 mA, esta tensión será aplicada directamente al inversor sin ningún elemento almacenador de energía ya que el objetivo es mostrar cuan eficiente es el uso de los paneles solares de baja potencia.

E

Además los inversores tienen la capacidad de variar la tensión de salida y la frecuencia de la misma tensión alterna generada. En este inversor se empleara un circuito por Modulación por Ancho de Pulso (PWM), el cual es un sistema de control para los inversores con el cual se obtiene una onda de salida de notables características y asi como de un reducido contenido de armónicos. Según sea la aplicación se puede controlar diferentes características de la señal de salida, es decir, se pretende que la tensión de salida presente grandes ventajas respecto de la onda cuadrada. El circuito de potencia es llamado puente “H”, normalmente se emplea transistores MOSFET o IGBT, debido a que en general trabaja con una frecuencia de conmutación del orden de 15Khz.

Un punto negativo del control PWM actual es la eficiencia, debido a las pérdidas por conmutación de los semiconductores por las altas frecuencias con las que operan. [1]

I MODULACIÓN DE UN SOLO ANCHO DE PULSO

En el control por modulación de una solo ancho de pulso existe un solo pulso por cada medio ciclo. El ancho de pulso se hace variar, con el objetivo de controlar la tensión de salida del inversor, sin prestar atención alguna al contenido armónico. El resultado es una onda cuadrada difícil de filtrar para obtener una onda senoidal pura. La salida de este tipo de modulación se muestra en la Figura 1.

Figura 1. Modulación de un solo ancho de pulso.

II MODULACIÓN SENOIDAL MODIFICADA DEL ANCHO DE PULSO

En la modulación senoidal modificada del ancho de pulso, los anchos de los pulsos más cercanos al pico de la onda senoidal no cambian considerablemente, esto es, durante los sesenta grados alrededor del pico (treinta antes y treinta después) los interruptores están encendidos. Este tipo de modulación permite que se reduzca el número de conmutaciones de los dispositivos de potencia y las pérdidas de conmutación, incrementando la componente fundamental y mejorando las características armónicas. [1]

III CLASIFICACION DE LOS INVERSORES

El funcionamiento de los inversores se caracterizará por ser el propio dispositivo quién determina la frecuencia y la forma de onda de la tensión alterna suministrada a la carga. El inversor que se desarrollara será mediante la utilización de semiconductores, donde podemos distinguir dos grandes grupos:

1

UTC. Electrónica de Potencia. Diseño y construcción de un inversor monofásico. 2015

Figura 2. Clasificación de los inversores.

IV FUNCIONAMIENTO DEL INVERSOR MONOFÁSICO CON ENTRADA DE (PWM)

Con el fin de introducir el principio de funcionamiento básico del inversor se pone en consideración un ejemplo sencillo, constituido por un inversor monofásico en configuración semipuente. El circuito y las formas de onda correspondientes se muestran a continuación.

Figura 3. Diagrama de funcionamiento básico de un inversor monofásico.

En el presente circuito se puede apreciar un inversor monofásico el cual emplea dos transistores los cuales son NPN y PNP los cuales ante la señal PWM que es proporcionada por el circuito integrado LM 555, que para este caso es Vs/2 se van alternando para dejar pasar las señal positiva y negativa. Es decir, el principio de funcionamiento se basa en la conducción de un interruptor durante un semiperíodo, instante durante el cual se le aplica a la carga una tensión igual a Vs/2, junto con la imposición de una conducción alternada y no simultánea de ambos interruptores. La tensión rms a la salida puede expresarse como se muestra en la ecuación:

Durante los semiperíodos en que S1 está excitado y saturado, la tensión en el extremo derecho de la carga es +VS/2 respecto de la toma media de la batería, salvo caídas de tensión despreciables en el semiconductor. Durante los semiperíodos en que se excita S2, la tensión en dicho extremo de la carga es -VS/2. La tensión resultante en la carga es una onda cuadrada de amplitud VS/2. [1]

Una vez obtenida la tensión de salida la cual permanece como onda cuadrada en el semiciclo positivo y negativo es necesaria filtrarla para obtener una onda sinusoidal perfecta.

V FILTRADO DE LA TENSIÓN DE SALIDA

El objetivo del filtrado es ofrecer a la carga únicamente el primer armónico de la tensión que se ha sintetizado en el inversor. [3]

Figura 4. Filtro de salida de un inversor.

VI DISEÑO DEL INVERSOR MONOFASICO

El presente inversor se lo realizo principalmente con dos transistores NPN y PNP, donde la señal de onda cuadrada la proporciona el circuito integrado LM555 en la parte final para el filtrado de la onda se colocó un condensador electrolítico y una bobina antes de conectar al transformador de 12Va 120V en corriente alterna.

2

UTC. Electrónica de Potencia. Diseño y construcción de un inversor monofásico. 2015

Figura 5. Esquema de circuito inversor del proyecto.

A continuación se detalla los materiales empleados para el circuito inversor:

IC1: temporizador 555 Q1: transistor bipolar NPN TIP41a Q2: transistor bipolar NPN TIP42a D1=D2: diodo 1N4001 R1=R2: resistores 1.2K R3: resistor de 100 Ω C1: capacitor 0.1uF. C2: capacitor 10uF. C3: capacitor electrolítico 2700uF L1: bobina 1uH T1: transformador 120/240VAC a 12VAC,

que se utiliza en forma invertida

A continuación se muestra de forma simulada el circuito inversor. El software que se utilizo es el PROTEUS 8.

Figura 6. Diagrama del circuito simulado en Proteus.

Figura 7. Captura de la pantalla del osciloscopio de la formas de onda del inversor monofásico.

Figura 8. Circuito inversor monofásico terminado.

Figura 9. Circuito inversor junto con los paneles solares.

VII CONCLUSIONES

En este proyecto hemos presentado como puede hacer un inversor monofásico a partir de una corriente continua generada por paneles solares, de manera fácil ya que el circuito no contiene ningún

3

UTC. Electrónica de Potencia. Diseño y construcción de un inversor monofásico. 2015

elemento que se desconozca o que no se sepa su funcionamiento.

El proyecto es muy útil ya que se pueden utilizar en casos de que no haya energía eléctrica o para ahorro energético y es donde se puede utilizar, ya que con la ayuda del sol y mediante paneles solares se puede obtener una fuente de corriente alterna atraves de un inversor y asi poder dar funcionamiento a los aparatos eléctricos de baja potencia que nos serviría mucho en casos de emergencia.

Una de las ventajas es que es muy fácil de construir y los elementos eléctricos y electrónicos se pueden obtener de manera fácil ya que son comunes en el mercado eléctrico y electrónico.

Asi mismo presenta una gran desventaja, la cual es que depende directamente del sol y esto es un problema ya que si se conecta directo los paneles solares al inversor funcionara dependiendo de la cantidad de radiación que emita el sol. Pero una fácil solución es que dé debe conectar una batería para que la energía recolectada en los paneles solares se almacene en la batería y asi el circuito inversor puede

proporcionar una fuente de corriente alterna de forma continua.

REFERENCIAS

[1] Universidad de Valencia. Inversores. Available: http://www.uv.es/emaset/iep00/temas/IEP11_0607.pdf

[2] Universidad Carlos III de Madrid. Diseño de un Inversor Monofásico Autónomo de Baja Frecuencia Ajustable mediante Bus DC. Available: http://earchivo.uc3m.es/bitstream/handle/10016/6955/PFC_Daniel_Estrella_Alvaro.pdf?sequence=2

[3] Universidad Carlos III de Madrid. Conversión CC-CA, Inversores. Available: http://ocw.uc3m.es/tecnologia-electronica/electronica-de-potencia/material-de-clase-1/MC-F-006.pdf

4

UTC. Electrónica de Potencia. Diseño y construcción de un inversor monofásico. 2015

5