Aplicacin de paneles fotovoltaicos mediante un

circuito de control PWM a 120V/60Hz.

Alay R. Adrian
Ingeniera Mecatrnica, sexto nivel
Universidad de las fuerzas armadas ESPE-L, Latacunga-Ecuador
E-mail: adrian_alay07@hotmail.com

Abstract This project deals with the application of solar

panels or photovoltaic cells for the production of electricity by
absorbing light and radiation from the sun, so it implemented a
circuit control PWM (Pulse Width Modulation), which was
designed for a 120V / 60Hz, to minimize the harmonic content,
based on the minimization of the THD (Total harmonic
Distortion). This will be implemented by two loads that are
within and variation in brightness of a bulb.
Palabras clavesEnerga renovable, celda fotovoltaica,
energa elctrica, impacto ambiental, modulacin por ancho de
pulso, distorsin armnica, vatio pico (Wp).

I. INTRODUCCIN

ste documento es acerca de una de las amplias

aplicaciones de paneles solares donde la radiacin por
parte del sol hacia la tierra es una fuente de energa que es
aprovechada mediante paneles solares o celdas fotovoltaicas,
esta aplicacin resulta ventajosa para el medio ambiente ya
que el impacto ambiental es mnima donde se destaca
principalmente su naturaleza inagotable, renovable y su
utilizacin libre de polucin. Pero su principal desventaja en
su utilizacin es tener en cuenta su naturaleza intermitente, su
variabilidad esta fuera del control del hombre y su baja
densidad de potencia. Donde estas dificultades conllevan a la
necesidad de almacenar la energa obtenida en una batera para
despus ser usada. Para tener una mejor obtencin de luz y
radiacin del sol es mejor realizar un estudio del ambiente en
donde se va a implementar para no tener problemas de dficit
de luz y radiacin solar.

II. SISTEMAS FOTOVOLTAICOS

La generacin de electricidad con energa solar empleando
sistemas fotovoltaicos ha estado siempre dirigida al sector
rural, en donde los altos costos de generacin originados
principalmente en el precio de los combustibles, hacen que la
generacin solar resulte ms econmica en el largo plazo y
confiable. [6]
La energa solar fotovoltaica es una fuente de energa
renovable, una de las ventajas fundamentales de esta energa

es que permite la obtencin de electricidad sin recurrir a

ningn tipo de combustin. [7]
A. Tipos de instalaciones solares fotovoltaicas
Existen cuatro rangos de potencia representativos de los
distintos tipos de instalaciones de generacin fotovoltaica:
Instalaciones pequeas, de 3KWp como planta tipo,
con rango hasta de 5KWp. Son aplicaciones rurales
aisladas como una solucin limpia y mucha veces
econmica.[7]
Instalaciones medias, de 30KWp como planta tipo,
con rango entre 5 y 100KWp. Son generadores en
electrificaciones rurales centralizadas. [7]
Instalaciones grandes de 300KWp como planta tipo,
con rango entre 100KWp y 1MWp. Generalmente
estn conectadas a la red, con extensas superficies, y
en su mayora estn promovidas por empresas. [7]
Centrales fotovoltaicas, de 3MWp como planta tipo,
con rango entre 1 y 50MWp. Son centrales de
generacin promovidas por empresas.[7]

B. Desventajas:
La necesidad de industrias extractivas para la
obtencin de las materias primas utilizadas para la
fabricacin de los mdulos. Los impactos son
limitados, debido a que las celdas fotovoltaicas estn
constituidas preferentemente por silicio. [7]
El proceso industrial a que se somete el silicio hasta
la obtencin de las clulas fotovoltaicas es una
actividad, que puede generar impacto en el entorno,
por lo que debe ser limitado y corregido, al igual que
cualquier otra actividad de produccin. [7]
Durante el cambio de las bateras en instalaciones
aisladas de la red se debe ser especialmente
cuidadoso con la retirada de las mismas, ya que
contienen elementos que pueden resultar muy
perjudiciales para el entorno. [7]


III. CIRCUITOS INVERSORES CC/AC
A. Inversores
La funcin es cambiar un voltaje de entrada cd a un voltaje
simtrico de salida de CA, con la magnitud y frecuencia
deseada [1]
Los inversores nos generan corriente AC a partir de una fuente
en DC, en la figura 1, 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 como observamos en la
figura. [2]

Fig. 1 Convertidor cd-ca monofsico

Los inversores con tiristores pueden clasificarse en diversos
tipos:

Inversores no autnomo

Que son los rectificadores controlados que funcionan con un

retardo de disparo superior a 90 inyectando Fuente a la red
desde una Fuente continua.

Inversores de Bloqueo Forzado

Se bloquean mediante componentes auxiliares especialmente

dispuestos al efecto. [3]
FIT
FII
B. 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. [4]

Fig. 2 Formas de Onda de la corriente en estado permanente

de una carga R-L

C. Anlisis Mediante Series de Fourier

Suele ser la manera ms prctica de analizar la corriente de la
carga y de calcular la potencia absorbida en una carga, y
mucho ms cuando una carga es ms compleja que una carga
resistiva, R-L, se puede realizar este anlisis si no existe
componente de continua en la salida.

Inversores Autnomos
() = ,

Genera una tensin alterna sobre una carga pasiva o

trabajando en vaco.

()

(1)

D. Distorsin Armnica Total

Inversores de Bloqueo Natural

En los que los tiristores se bloquean en el transcurso normal de

funcionamiento del circuito de potencia por anulacin
espontanea de la intensidad.

Como en el inversor se desea alimentar una carga alterna

mediante una Fuente en continua es necesario obtener la
calidad de la tensin o corriente de la carga en alterna, esto se
lo logra mediante trminos del factor DAT, suponiendo que no

hay componentes de continua a la salida, y esta expresado

mediante:

2 2

1,

1,

(2)

E. Inversor De Medio Puente

La figura 1 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.

IV. 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.[1, 4]
A continuacin analizaremos el funcionamiento de la
modulacin PWM para el circuito de la figura 5.

Fig. 3 Inversor de medio puente.

El circuito consta de dos interruptores, cuando se enciende el
transistor 1 durante un tiempo 0 /2, el voltaje instantneo 0
a travs de la carga es /2. Si el transistor 2 se enciende
durante un tiempo 0 /2, el voltaje en la carga ser /2. El
circuito de disparo se debe disear de tal forma que 1 y 2
no se enciendan al mismo tiempo.[3]

Fig. 5 Inversor de modo de conmutacin de una pata.

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 6, as como su componente de
frecuencia fundamental.

A continuacin en la figura 2 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. 4 Formas de onda del inversor de medio puente.

Fig.6 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.

9. Realizar Pruebas para verificar su funcionamiento.

10. Realizar el respectivo PAPER de la prctica con el
formato previamente establecido por la IEEE.

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 1
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:

(3)

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 :
=

VI. MATERIALES

Foco de 100 w.
Radio de Alterna.
Protoboard.
Cabes.
Multmetro.
Transformador 110V/60Hz a 12V-0-12V / 2A-.
Transistores TIP122, 2N3055.
Triac.
CI 555.
Flip-Flop 74L873.
Paneles Solares.
Estructura para paneles solares.
Batera.
VII. SIMULACIN EN PROTEUS
A. Regulador de voltaje para el circuito

(4)

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 6b muestra la conmutacin de los interruptores, la
cual es controlada por la seal portadora de la siguiente
manera:
> ,

+ , 0

1
=
2

Fig. 7 Regulador a 5V
B. Circuito PWM

1
< , , 0 =
2
V. PROCEDIMIENTO
1.
2.
3.
4.
5.

6.
7.
8.

Disear el circuito inversor por modulacin PWM.

Simular el circuito para poder observar sus grficas, y
verificar si la frecuencia y voltajes son los correctos.
Los paneles solares se consiguieron en Colombia
para poder importarlos al pas.
Obtener los dems materiales a utilizar.
Se procedi a conectar los paneles solares para
conseguir el voltaje y corriente necesario para el
inversor.
Implementar el circuito inversor.
Realizar las conexiones del transformador para la
obtencin de la seal AC
Verificar de qu modo podamos tener la iluminacin
del sol los ms perpendicular posible.

Fig. 8 Control PWM

C. Circuito de disparo para los interruptores.

REFERENCIAS

[1]
[2]

[3]

[4]
Fig. 9 Circuito de disparo para el inversor de medio puente
D. Circuito de control de la carga

D. W. Hart, Electrnica de potencia: Pearson

Educacin, SA, 2001.
N. Mohan, T. M. Undeland, and W. P. Robbins,
Electrnica de potencia: Convertidores, aplicaciones
y diseo: McGraw-Hill/Interamricana, 2009.
M. H. Rashid, M. H. R. V. Gonzlez, and P. A. S.
Fernndez, Electrnica de potencia: circuitos,
dispositivos y aplicaciones: Pearson Educacin,
2004.
M. Rashid, "Power Electronics Handbook: Devices,
Circuits, and Applications, Chapter 17. Multilevel
Power Converters," ed: Academic Press, 2007.

[5]

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.

[6]

C. E. Marn, "La energa solar fotovoltaica en

Espaa," Nimbus:
Revista
de
climatologa,
meteorologa y paisaje, pp. 5-32, 2004.

[7]

H. R. MURCIA, "DESARROLLO DE LA ENERGA SOLAR

EN COLOMBIA Y SUS PERSPECTIVAS," REVISTA DE
INGENIERA, PP. 83-89, 2008.

Fig. 10 Circuito de control de la carga

VIII. CONCLUSIONES
Para tener un mejor desempeo y mayor ganancia de
la luz y radiacin del sol, utilizar los paneles solares
en una hora adecuada donde el sol este es su mximo
esplendor.
El circuito implementado dimmer, para la variacin
del foco nos ayuda de manera que este se implementa
directamente despus del circuito de control sin
necesidad de rectificar.
La utilizacin de los MOSFET mejora la
conmutacin de las corrientes en los transistores
implementados.
La corriente no disminuye de manera brusca al
conectar una radio y el circuito de potencia para
variar el foco permitiendo el funcionamiento estable
de estos elementos.
Mediante este proyecto se motiva al lector a utilizar
recursos renovables para ayudar al medio ambiente
sin la necesidad de causar un impacto ambiental.

Adrian Alay naci en La Man

provincia de Cotopaxi Ecuador, el
22 de agosto del 1993. Se gradu en
el colegio Instituto Tecnolgico
Superior La Man. Actualmente est
estudiando en la Universidad de las
Fuerzas Armadas ESPE Extensin
Latacunga. Sus campos de inters son la matemtica,
fsica, electrnica y automatizacin. Como deportista ha
recibido diplomas, medallas y copas.

ANEXOS

C. Oscilador

A. Paneles solares.

Fig. 14 Oscilador de control

Fig. 11 Paneles solares acoplados a su estructura

D. Transformador elevador

Fig. 15 Transformador 110V/60 a 12V/2A

Fig. 12 Interconexin de los paneles solares.

E. Cargas aplicadas.

B. Circuito del inversor

Fig. 16 Cargas aplicadas, radio reloj y foco.

Fig. 13 Circuito inversor PWM