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sábado, 7 de octubre de 2017

LOS INVERSORES PARA ENERGÍA SOLAR



Aquí describiremos el funcionamiento de un inversor monofásico, que usa modulación por ancho de pulsos o PWM (Pulse Width Modulation), que convierte la tensión continua (DC), generada por paneles solares fotovoltaicos, en una tensión alterna sinusoidal (AC) apta para ser entregada a la red pública.

La modulación por ancho de pulsos
Para obtener la señal modulada por ancho de pulsos aplicamos a la entrada de un comparador (Fig.1) una señal portadora triangular (carrier)  y la modulante sinusidal (señal deseada). La modulante sinusoidal será una réplica de la onda de la red, en frecuencia (50 o 60Hz, según el país) y fase (sincronismo). La portadora triangular tendrá una frecuencia alta comparada con la modulante (~ 12 KHz).

Fig.1 – La modulación PWM realizada con un comparador
Cuando la modulante tiene un valor mayor que la portadora, la señal modulada (PWM) tendrá un pulso de valor positivo y cuando sea menor un pulso de valor negativo, como se puede ver en la Fig. 2. Variando la frecuencia de la portadora se varía su período y por lo tanto el ancho de los pulsos de la señal modulada.

Fig.2 – Formas de onda de la modulación PWM
 Esto se hace para poder trabajar en los circuitos con una señal digital (PWM), en lugar de hacerlo con la sinusoidal analógica, lo que sería más complicado. La señal PWM, si la descomponemos mediante la serie de Fourier, veremos que tiene una componente fundamental que es la  modulante sinusoidal de 50Hz/60Hz y muchas armónicas de frecuencias doble, triple, etc. De modo que, en el momento oportuno, podremos recuperar la sinusoide mediante un filtro pasabajos.
El circuito doble puente
El circuito de la Fig.3 es conocido como circuito “doble puente” y también como circuito “puente completo” (full bridge), o “puente H”. Los transistores que se usan son MOSFET, o igbt. También se lo puede encontrar implementado con tiristores (SCR).
Los transistores conducen de a pares: Q1 con Q4 y Q3 con Q2. La conducción de cada par nunca debe ser hecha de manera simultánea con la del otro par.
Si aplicamos un pulso positivo simultaneamente en los gates de Q1 y a Q4, circulará una corriente por estos dos transistores y por la carga RL, lo que producirá un pulso positivo en dicha carga, es decir una tensión positiva en P con respecto al punto Q.
Cuando apliquemos una tensión positiva simultanea en los gates de Q3 y Q2, circulará por la carga RL una corriente de sentido contrario al caso anterior y por lo tanto una tensión sobre ella que tendrá una polaridad opuesta al primer caso, o sea que el punto Q será positivo con respecto al punto P.

Fig.3 – Circuito doble puente
 Si ahora aplicamos la señal PWM de la salida del comparador de la Fig.1 a los gates de los transistores Q1 y Q4, estos dos transistores conducirán simultaneamente con cada uno de los pulsos positivos de dicha señal PWM de la Fig.2 y no conducirán ninguna corriente con los pulsos negativos. De este modo, sobre la resistencia de carga RL tendremos la onda de la Fig.1, pero con la parte negativa recortada, como si la hubíeramos rectificado con un diodo.
Para obtener la onda completa en la resistencia de carga, deberemos seguir aplicando la salida del comparador a los gates de Q1 y Q4, pero además debemos intercalar una compuerta inversora a la señal del comparador antes de aplicarla a los gates de Q3 y Q2 en forma simultánea. Esto nos permitirá transformar los pulsos negativos de la Fig.2 en positivos y podremos hacer que Q3 y Q2 conduzcan solo con esos pulsos y nos permitan obtener una tensión negativa con ellos en la carga (Q positivo y P negativo). Observese que los pulsos positivos de salida del comparador se transformaron en negativos, a la salida de la compuerta inversora y por eso no hacen conducir a Q3/Q2.
De este modo, logramos obtener una réplica de la señal PWM que obtuvimos del comparador, pero la tensión de la carga va a ser mucho mayor, ya que +B es la salida de los paneles solares, que es de donde obtendremos toda la potencia para alimentar nuestras cargas y enviar la que nos sobre a la red.

Fig.4 – Hay que invertir la señal PWM mediante una compuerta inversora, antes de aplicarla a los gates de Q3 y Q2. De esta manera se obtiene la señal PWM completa en la carga.
Para simplificar, llamaremos Vac (t) a la diferencia de potencial entre el punto P y el punto Q. Además representaremos, superpuesta con ella como referencia, a la tensión alterna sinusoidal que deseamos obtener (Fig.5). Esta tensión pulsante es conocida como “forma de onda de dos niveles”  (two – level waveform).

Fig.5 – Forma de onda de dos niveles y sinusoide de referencia superpuesta.
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Si descomponemos la forma de onda de la Fig.5 por medio de la serie de Fourier, lo que podemos hacer sin problemas porque se trata de una onda períodica, con un período T=1/f, donde f es la frecuencia de línea (50/60Hz, según el país de que se trate).
Si hacemos pasar esta onda de dos niveles por un filtro pasabajos LC, podremos eliminar las armónicas de frecuencias superiores a la frecuencia fundamental y obtendremos una onda sinusoidal con muy baja distorsión.
Esto es lo que hicieron los alumnos Ian F. Crowley y Ho Fong Leung, del Instituto Politécnico de Worcester, Massachusetts, bajo la asesoría del profesor Stephen J. Bitar y que mostramos en las Figuras 6 y 7. (Acceso a la nota en referencia [1]). Obsérvense los valores de tensión para el caso de ellos, en EEUU, donde la tensión de línea nominal monofásica es 110V.

Fig. 6 – El espectro de frecuencias de la forma de onda  de dos niveles, antes de pasar por el filtro.

Fig.7 – Onda resultante de la forma de onda de dos niveles, después de filtrar.
 Forma de onda de tres niveles
Si ahora hacemos que el transistor Q4 de la Fig.3 mantenga su gate polarizado positivamente durante todo el semiciclo positivo de la onda sinusoidal, es decir dispuesto para conducir y aplicamos al gate de Q1 la señal de PWM, la carga recibirá corriente durante los pulsos positivos de la señal PWM y durante los pulsos negativos la corriente en la carga será cero. O sea que durante el ciclo positivo de la sinusoide tendremos una tensión Vac (t) constituida por pulsos positivos y pulsos de amplitud cero, en correspondencia con los pulsos positivos y negativos de la señal PWM aplicada, respectivamente.
Durante el semiciclo negativo de la sinusoide, el transistor  Q2 deberá tener condiciones de conducir, o sea su gate positivo y el transistor Q3 deberá tener su gate conectado a la señal PWM invertida por una compuerta inversora. De esta manera, durante el semiciclo negativo de la sinusoide tendremos una señal Vac (t) compuesta por los pulsos negativos y los nulos.
Tendremos así representado el resultado en la Fig.8.

Fig.8 – Forma de onda de tres niveles y sinusoide de referencia superpuesta
Esta forma de onda de tres niveles nos permitirá conseguir una mejor aproximación a una tensión más parecida a una sinusoide perfecta, en la cual el “serruchito” de la onda será mucho menos marcado.
Veamos los resultados que nos muestran Ian F. Crowley y Ho Fong Leung: (Fig.9 y Fig.10)

Fig. 9 – El espectro de frecuencias de la forma de onda  de tres niveles, antes de pasar por el filtro.
Fig.10 – Onda resultante de la forma de onda de tres niveles, después de filtrar.
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Veamos a continuación un diagrama en bloque muy ilustrativo de un inversor publicado por Don Alfano, de Silicon Labs, a través de Electronic Design, en la nota con acceso en la referencia [2]. Ver Fig.11.

Fig.11 – Diagrama en bloques de un inversor monofásico, que usa forma de onda de tres niveles y salida sinusoidal pura. Obsérvese que la corriente antes y después del filtro es sinusoidal y la tensión en cambio, solo es sinusoidal después del filtro.
Observe en la Fig.11 las realimentaciones de tensión desde la red pública (grid), para mentener el sincronismo entre la tensión de la red y la generada por el inversor y la realimentación de corriente a fin de que mediante la variación del ancho de pulsos se pueda regular la corriente generada de acuerdo a la requerida por la carga.

Referencias






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