diseÑo de inversores fotovoltaicos con …

XXVI Simposio Peruano de Energía Solar y del Ambiente (XXVI- SPES), Ayacucho, 18-22.11.2019

DISEÑO DE INVERSORES FOTOVOLTAICOS CON

TRANSFORMADORES DE BAJO COSTO

Víctor Hugo Serrano – [email protected]

Maiver Villena – e-mail

Daniel Hoyos – [email protected]

Carlos Alberto Cadena – cadenainenco.com

Universidad Nacional de Salta de Argentina, Instituto de Investigaciones

en Energía no Convencional, INENCO - inenco.unsa.edu.ar

Resumen. El presente trabajo presenta como objetivo mostrar el procedimiento a seguir, los componentes que se

requieren y el software que se necesita para el desarrollo de un convertidor de corriente continua a corriente

alterna. Se utilizó para este fin un transformador de bajo costo. La onda senoidal discreta se generó en una hoja de

cálculo y los valores obtenidos se utilizaron en un microcontrolador, este circuito integrado también realizó la

adquisición de la tensión y corriente del generador fotovoltaico para que el mismo trabaje en el punto de máxima

potencia.

Palabras-clave: Diseño de convertidores, Transformador de bajo costo, Microcontrolador, Electrónica de potencia

1. INTRODUCCIÓN

Los inversores fotovoltaicos son dispositivos que realizan la conversión de una Corriente Continua (CC) a una

Corriente Alterna (CA), facilitando la transferencia de energía desde baterías, paneles solares y generadores eólicos

para alimentar dispositivos que usualmente trabajan conectados a la red eléctrica domiciliaria. Para el caso de

Argentina, la tensión de la red eléctrica tiene un valor eficaz de 220Vca y una frecuencia de 50Hz.

Los inversores fotovoltaicos se diseñan para trabajar sin conexión a la red eléctrica, (stand-alone) o conectados

a ella, (grid tie inverter, GTI), (Kjær, 2005). Los inversores stand alone utilizan un transformador para elevar la

tensión del generador fotovoltaico o del banco de baterías, a una tensión igual o superior al valor pico de la red

eléctrica, es decir 311Vca. En los GTI, el uso de transformadores es un requisito para otorgar aislación galvánica al

generador fotovoltaico o al banco de baterías; aunque existen a nivel mundial, normas que imponen que el GTI, no

utilice transformador de aislación.

El análisis de los inversores fotovoltaicos se puede dividir en dos etapas. Una primera etapa, es la de potencia,

conformada por dispositivos semiconductores que conmutan a una determinada frecuencia, esta conmutación se

realiza utilizando modulación por ancho de pulso, (pulse width modulation, PWM). Con el transcurso de los años, la

tecnología de fabricación de los dispositivos semiconductores de potencia, fue avanzando. Inicialmente se utilizaban

tiristores, (Silicon Controlled Rectifier, SCR) continuando con transistores de efecto de campo, (metal–oxide–

semiconductor-field-effect, MOSFET), y en la actualidad se tienen los transistores bipolares de compuerta aisladas,

(Insulated Gate Bipolar Transistor, IGBT). (Mohan et al. 2009)

La otra etapa a considerar, es la que genera la onda senoidal compatible con la red eléctrica domiciliaria, se

utiliza para este fin, dispositivos programables, como microcontroladores o matriz de compuertas programables,

(Field Programmable Gate Array, FPGA).

2. SISTEMA PROPUESTO

El esquema del inversor propuesto se observa en la Fig. 1. El generador fotovoltaico, (VFV) se compone de dos

paneles de 100W conectados en serie, entregando una tensión de operación nominal de 24V.

El transformador se utiliza generalmente en el armado de fuentes de alimentación lineales, como fuentes de

laboratorio y en dispositivos de baja potencia. La frecuencia de trabajo se corresponde con la frecuencia de la red

eléctrica, para el caso de Argentina es de 50Hz.

Los transistores que integran la etapa de potencia son del tipo MOSFET y se conectan en la configuración de

Puente Completo, Puente H, o Full Bridge.

El microcontrolador utilizado es el PIC18LF14K50 de la empresa Microchip, (PIC18F/LF1XK50. 2010). Entre

las funciones que realiza, es la de generar la onda senoidal, (Sine Pulse Width Modulation, SPWM) que se conecta,

mediante una interface, a las compuertas de los transistores de potencia; también mide magnitudes del generador

fotovoltaico, y del propio circuito. Otra función que cumple es la de extraer la máxima potencia del generador

fotovoltaico, implementando un algoritmo de seguimiento del punto de máxima potencia, (Maximum power point

tracking, MPPT). Así también, el microcontrolador forma parte del circuito de realimentación que controla la

amplitud de la tensión senoidal del secundario.


Figura 1- Esquema del prototipo propuesto.

3. TRANSFORMADOR DE BAJA FRECUENCIA

El transformador es una máquina eléctrica que permite aislación galvánica entre dos circuitos acoplados

magnéticamente. La frecuencia de trabajo es la misma que la red eléctrica y según sea la región o el país, suele ser de

50Hz o 60Hz. El núcleo de este tipo de transformadores se construye apilando chapas de acero al silicio, aisladas

eléctricamente, para prevenir que circule corriente entre ellas.

Las pérdidas que presenta el transformador se clasifican en magnéticas y eléctricas:

1) Las pérdidas magnéticas se deben al ciclo de histéresis y por la circulación de corrientes parásitas:

Corrientes de Foucault y perdidas en el hierro.

2) Las pérdidas eléctricas o pérdidas del cobre, corresponden a la resistividad del alambre, que provoca

calentamiento de los devanados y estas pérdidas también se deben a la reactancia de dispersión.

4. TRANSISTOR DE POTENCIA Y TOPOLOGÍA PUENTE COMPLETO

Para el diseño propuesto se puede seleccionar entre dos clases de transistores: MOSFET o IGBT. Un transistor de

efecto de campo, opera como un canal semiconductor con dos contactos óhmicos, fuente (Source) y drenaje (Drain).

La corriente que circula por este canal semiconductor se controla por el voltaje aplicado a un tercer terminal

denominado compuerta (Gate). El transistor presenta un coeficiente positivo de temperatura y la resistencia del canal

tiene un valor típico que está en el orden de los miliohm. También incorpora un diodo entre el drenaje y la fuente para

limitar la circulación de corrientes inversas.

El transistor de compuerta aislada, IGBT, cuando está activo, presenta una baja caída de tensión de saturación y

una elevada corriente de colector. También exhibe una alta impedancia de entrada y una elevada respuesta en

frecuencia. Tiene tres terminales, colector, emisor y compuerta. La compuerta es el terminal de control y la corriente

circula entre colector y emisor.

La característica más destacada de la topología Puente Completo, es la de alimentar el primario del

transformador con una tensión alterna que previene la saturación del núcleo y considerando que este trabajo propone

la utilización de un transformador de baja frecuencia, resulta conveniente esta elección. Además esta topología

permite que los transistores soporten como máximo valor, la tensión de entrada.

El funcionamiento de esta topología se realiza activando en primer lugar los transistores Q1 y Q4, y manteniendo

apagados los transistores Q2 y Q3. Con esta acción se tiene circulando por el bobinado primario, la corriente de

magnetización. Cuando se activan Q2 y Q3, y se apagan Q1 y Q4, el sentido de circulación de la corriente se invierte.

4.1 Driver IR2110

De acuerdo a la hoja de datos del fabricante, el circuito integrado IR2110 puede controlar dos transistores

conectados en la configuración de medio puente, (IR2110. 2012). Este circuito integrado permite trabajar con fuente

de alimentación flotante, utilizando un capacitor Bootstrap como se observa en la Fig. 2. Otras características que

aporta el circuito IR2110, se presentan a continuación:


Optimizar la impedancia de salida, con lo cual se minimiza la sensibilidad al ruido en la compuerta de

los transistores.

Intervalos de conmutación reducidos.

Minimizar la etapa de diseño e implementación.

Figura 2- Circuito integrado IR2110 con alimentación auxiliar bootstrap.

El valor del capacitor bootstrap, depende de la carga, de la frecuencia de conmutación y del ciclo de trabajo. La

ecuación para determinar su valor se observa en Ec. (1).

(1)

5. MICROCONTROLADOR

Un microcontrolador es un circuito integrado constituido por un procesador que puede trabajar en un rango de 4-

bits, 8bits y 16bits, y también se encuentran tecnologías más complejas con un rango que van desde los 32bits hasta

64bits. El microcontrolador también incorpora memorias de acceso aleatorio (Random Access Memory, RAM),

memoria tipo flash (Flash Memory) y memorias EPROM - (Erasable Programmable Read-Only Memory) y EEPROM

- (Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory). Otras características que presenta un microcontrolador,

es la de poseer puertos de entrada y salida que se comunican con sensores o actuadores, ya sea de forma directa o a

veces utilizando una interface.

En este trabajo se seleccionó el microcontrolador PIC18LF14K50. La Tab. 1 presenta una descripción de sus

principales características.

Tabla 1. Características del microcontrolador PIC18LF14K50.

El software utilizado para programar el microcontrolador es el MPLABX, (MPLABX. 2019) con el compilador

XC8, (MPLABXC8, 2012); tanto el microcontrolador como los programas pertenecen a la empresa Microchip. El

microcontrolador tiene un formato tipo DIP de 20 pines y el Pinout se muestra en la Fig. 3.


Figura 3- Pinout del microcontrolador PIC18LF14K50.

6. GENERACIÓN DE ONDA SINUSOIDAL

Un inversor fotovoltaico convierte corriente continua, entregada por el generador, en corriente alterna. De este

modo se puede alimentar dispositivos que usualmente trabajan conectados a la red eléctrica domiciliaria. Los

inversores se caracterizan por el tipo de onda que generan y se los puede clasificar en tres tipos básicos, como se

muestra en la Fig. 4, una breve descripción de estas ondas se presenta a continuación:

1. Inversores de onda cuadrada, son inversores convencionales que entregan en su salida una onda

cuadrada. Presentan elevadas pérdidas de conversión y pueden llegar a dañar los dispositivos que

alimentan, por eso se recomiendan únicamente para cargas resistivas. El costo de esta clase de

inversores es muy bajo.

2. Inversores de onda cuadrada modificada o cuasicuadrada. La salida no llega a ser una onda senoidal

pura, aunque el contenido armónico es bajo y se caracteriza por tener tiempos muertos entre cada

semiciclo. La construcción es un poco más compleja que la del inversor de onda cuadrada.

3. Inversores de onda senoidal pura. Presentan una onda similar al de la red eléctrica. Son aptos para

alimentar diferentes clases de carga y se los puede encontrar en sistemas aislados o conectados a la red

eléctrica. Cuando se los utiliza conectados a la red eléctrica, las normas exigen que el contenido

armónico sea inferior al 5% y que se desconecten automáticamente si se cae la red eléctrica. En la

actualidad, el mercado se orienta a utilizar esta clase de inversores.

Figura 4- Onda cuadrada, cuasicuadrada y senoidal pura. (Doucet et al. 2007)


6.1 Pwm

Para generar una onda senoidal pura, se utiliza la técnica de modulación por ancho de pulso (Pulse Width

Modulation, PWM). Esta técnica permite controlar la energía que se entrega a una carga de manera eficiente.

En la Fig. 5 se observan tres casos particulares, en cada uno de ellos se observa que el promedio de la tensión de

salida, VPROM, es proporcional al ancho de cada pulso, D, quien puede tomar valores entre [0-1].

Figura 5- Señal PWM para ciclos de trabajo del 10%, 50% y 90%.

En la Fig. 5 se tiene: Vin = Tensión de entrada, Voprm = Valor promedio de la tensión de salida, T= Período de la

señal., D= Ciclo de trabajo.

6.2 Onda senoidal discreta

La expresión trigonométrica de la onda seno se muestra en la Ec. (2).

( ) ( ) (2)

Donde, V (t) = Valor instantáneo de la función, t = Instante de tiempo, f = Frecuencia de la señal, 2π = Factor de

conversión a radianes.

El valor instantáneo de la señal es proporcional al ángulo expresado en radianes, además, la onda senoidal tiene

valores positivos y negativos que no pueden ser transferidos al puerto del microcontrolador, ya que este puerto, solo

trabaja con valores altos (HIGH) y bajos (LOW). Para resolver esta situación, se desplaza la señal de tal modo, que el

valor máximo positivo se corresponda con el valor alto, y el valor máximo negativo con el valor bajo. Entonces, se

debe seleccionar la resolución para digitalizar la señal, por ejemplo, consideremos una resolución de 8 bits, lo cual

determina 255 valores, en donde al cero de la señal, le corresponde el valor: 255/2 = 127. Adoptando estas

consideraciones se tiene la expresión, Ec. (3)

[ ] ( ) (3)

Adoptando como ejemplo 36 valores para el intervalo t, se obtiene la Fig. 6. En el eje de las abscisas están

representados los 36 intervalos y en el eje de las ordenadas los 255 posibles valores que tomará la señal.

La EC. (3) se debe incorporar al código del microcontrolador con todos los intervalos que se decidan adoptar.

La Ec. (4) muestra un ejemplo para el ángulo de 0°.

[ ] ( ) (4)


Figura 6- Onda senoidal generada con 36 intervalos. (Libre Office. 2019)

El microcontrolador deberá realizar permanentemente el cálculo de todas las ecuaciones en forma iterativa,

siendo este método poco eficiente, por lo tanto, se aconseja obtener todos los valores a implementar en una hoja de

cálculo, junto con los valores de cada ciclo de trabajo que permiten desarrollar la onda senoidal. Estos valores se

incluyen en una tabla y se leen a través de un puntero.

7. SEGUIMIENTO DEL PUNTO DE MÁXIMA POTENCIA. MPPT

La energía que entregan los paneles fotovoltaicos no es abundante, una causa es la baja eficiencia que los

caracteriza, otro factor es el envejecimiento que sufren con el paso de los años y también se debe considerar el efecto

de la radiación incidente y de la temperatura. (Hassaine, 2010).

Para mejorar las prestaciones de los generadores fotovoltaicos se tienen dos opciones:

1. Seguimiento del sol usando estructuras móviles.

2. Seguimiento del punto de máxima potencia, a través de microcontroladores y circuitos electrónicos.

El punto de máxima potencia se determina cuando el producto de la tensión por la corriente toma un valor

máximo, en la Ec. 5 se observa esta relación.

(5)

Los valores de la tensión y corriente fotovoltaica, en el punto de máxima potencia, son dependiente de la

radiación incidente y de la temperatura de las celdas. La radiación afecta principalmente a la corriente y las

variaciones suelen sucederse en pocos segundos, debido al paso de nubes sobre la instalación. También se producen

sombreados parciales en determinadas horas del día, por la cercanía de árboles y edificios, este hecho se sucede en

instalaciones que no están correctamente dimensionadas. En cuanto a la temperatura, la variación es más lenta,

debido a la inercia térmica de los módulos.

7.1 Perturbar y Observar

En la literatura se encuentran diferentes métodos para realizar el seguimiento del punto de máxima potencia, de

los cuales se pueden mencionar los siguientes:

1. Voltaje constante.

2. Corriente de corto circuito.

3. Voltaje de circuito abierto.

4. Perturbar y Observar.

5. Conductancia incremental.

Para el desarrollo de este trabajo se seleccionó el método Perturbar y Observar. El principio de funcionamiento

consiste en comparar la potencia actual que entrega el generador fotovoltaico, con la potencia entregada en el ciclo

anterior. Esta operación se lleva a cabo mediante perturbaciones periódicas de la tensión del conversor de potencia,

quien se encuentra conectado al generador fotovoltaico. Este conversor actúa como adaptador de impedancia entre el


generador fotovoltaico y la carga, que en este trabajo corresponde al primario del transformador.

Si al realizar una perturbación en el conversor se obtiene un aumento de la potencia, la siguiente perturbación

debe tener el mismo sentido. Cuando se obtiene una potencia menor, se debe cambiar el sentido de la perturbación.

La ventaja de este método es su baja complejidad para implementarlo en un microcontrolador; por contrapartida, se

tiene, que una vez alcanzado el punto de máxima potencia las perturbaciones continúan, ocasionando una oscilación

alrededor de este punto. Las perturbaciones corresponden al aumento o disminución de la tensión del conversor,

modificando el ciclo de trabajo D, en la Fig. 7 se observa el diagrama de flujo de este algoritmo.

Figura 7- Diagrama de flujo del algoritmo Perturbar y Observar.

8. IMPLEMENTACIÓN

La placa de circuito impreso se diseña con el software KiCad, (KiCad, 2019). Este software está compuesto

por los siguientes editores: esquema, asociación de componentes, placa de circuitos impresos entre otros. En la Fig. 8

se observa el esquemático inicial

Figura 8- Esquemático del inversor realizado con el software KiCad.

La Fig. 9 muestra la placa final del prototipo implementado, en ella se observa los 4 transistores de potencia,

los 2 circuitos driver, IR2110 y el microcontrolador PIC18LF14K50. El disipador de potencia (Heat Sink) utilizado en

este primer prototipo se debe redimensionar en trabajos futuros.


Figura 9- Etapa de control y potencia del inversor.

En la Fig. 10 se observan las señales generadas por el microcontrolador que ingresan a los circuitos IR2110, el período

de cada señal es de 20ms y la amplitud de cada señal es de 5V. La señal modulada activa la parte alta de una rama del

circuito puente y la otra señal la parte baja de la otra rama.

Figura 10- Señales de control generadas en el microcontrolador PIC18LF14K50.

La señal obtenida en el secundario del transformador se observa en la Fig. 11, se aprecia que la forma obtenida difiere

de una onda senoidal original. En el intervalo [0-π/2] se observa una linealización de la curva y en el intervalo [π/2 - π]

se tiene una exponencial decreciente, posiblemente a la saturación del núcleo. Para el semiciclo negativo se repiten estas

consideraciones.


Figura 11- Onda senoidal obtenida en el secundario del transformador.

9. CONCLUSIONES

En el presente trabajo se planteó la implementación de un inversor alimentado con paneles fotovoltaicos

utilizando un transformador de baja frecuencia. El motivo para utilizar esta clase de transformadores está dado por su

bajo costo y su fácil adquisición, aun conociendo las desventajas de su elevado peso y volumen, además de las

pérdidas propias de su núcleo.

Se propuso utilizar un microcontrolador para implementar los diferentes códigos que se requirieron, como ser

el seguimiento del punto de máxima potencia, la generación de las señales que gobiernan a los transistores, y la

adquisición de las variables fotovoltaicas y de realimentación, ya que el microcontrolador posee canales de conversión

analógico-digital, siendo esta una ventaja por la cual se seleccionó este dispositivo y no la tarjeta de desarrollo FPGA,

(Field Programmable Gate Array).

Se diseñó una placa de potencia para contener los transistores, los circuitos integrados de adaptación, y al

microcontrolador. También se requirieron fuentes de alimentación adicionales, una fuente de 5V para alimentar el

microcontrolador y otra de 10V para alimentar el circuito IR2110, con esta tensión de 10V se obtuvo el mejor

rendimiento de los transistores que estaban conectados en la configuración de puente completo.

La señal obtenida se aproxima a una señal senoidal original, y se propone mejorar la etapa de filtrado para un

trabajo posterior.

Como conclusión del diseño y armado del prototipo, se puede decir que se obtuvo un rendimiento aceptable del

transformador, el cual no presentaba sobrecalentamiento y el sistema mejoró su eficiencia ya que los transistores

trabajan el estado on/off, lo cual permitió una baja disipación de potencia.

En cuanto a la presentación de una guía para los estudiantes, sobre el funcionamiento, diseño e implementación

de un inversor fotovoltaico, se estima que este objetivo está cumplido. Se propone para trabajos posteriores desarrollar

diferentes códigos para el seguimiento del punto de máxima potencia, para mejorar el rendimiento del sistema.

REFERENCIAS

Hassaine L. 2010. Implementación de un control digital de potencia activa y reactiva para inversores. Aplicación a

sistemas fotovoltaicos conectados a red. Tesis Doctoral. Cap. 4. pp 149-163.

IR2110. 2012. Igbt characteristics. Application Note AN-990. Disponible en: www.infineon.com › dgdl › an-990.

Jim Doucet, J. Eggleston, D. and Shaw, J. 2007. DC/AC Pure Sine Wave Inverter. Worcester Polytech Inst. pp. 5-6.

Kjær S. 2005. Design and control of an inverter for photovoltaic applications. Aalborg University Institute of Energy

Technology, ISBN 87-89179-53-6.

LibreOffice. 2019. The Document Foundation.Disponible en: https://www.libreoffice.org/discover/calc/.

Mohan N., Undeland T., and Robins W. 2009. Electrónica de potencia. Convertidores, aplicaciones y diseño. Cap 2,

pp. 16-32. ISBN 10: 9701072480 / ISBN 13: 9789701072486.

MPLABX. 2019. Data Sheet. 20-Pin USB Flash Microcontrollers with nanoWatt XLP Technology. Disponible en:

www.microchip.com/mplab/mplab-x-ide.

MPLABXC8. 2012. Mplab xc8 c compiler user’s guide. Disponible: ww1.microchip.com/downloads/en/DeviceDoc

/52053B.pdf.

PIC18F/LF1XK50. 2010. Data Sheet. 20-Pin USB Flash Microcontrollers with nanoWatt XLP Technology.

Disponible en:ww1.microchip.com/downloads/en/devicedoc/41350c.pdf.

KiCad eda. 2019. Disponible en: http://kicad−pcb.org/.


Abstract. This research aims to show the process, components and software required to develop a DC converter to an

AC converter. To achieve this aim an inexpensive transformer was used. The discrete sinusoidal wave was created in

a spreadsheet and the obtained values were used in a microcontroller. This data acquisition system monitors the

tension and current from a FV generator so that the microcontroller operates at its maximum power point.

Key words. Converter design, Low cost transformer, Microcontroller, Power electronic.

diseÑo de inversores fotovoltaicos con …

Documents